Dissertação - Institutos Lactec
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Dissertação - Institutos Lactec
INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO (LACTEC) INSTITUTO DE ENGENHARIA DO PARANÁ (IEP) PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIA (PRODETEC) CARLOS ADEMAR PURIM DESENVOLVIMENTO DE UM COLETOR SOLAR PARA ILUMINAÇÃO DIRETA COM FIBRA ÓPTICA CURITIBA 2008 Purim, Carlos Ademar Desenvolvimento de um coletor solar para iluminação direta com fibra óptica. / Carlos Ademar Purim. Curitiba, 2008. 84 f. : figs,, fotgs. Orientador: Dr. Prof. Rogers Demonti Dissertação (Mestrado) – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento – LACTEC, Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento de Tecnologias – PRODETEC. 1. Energia solar. 2. Fibra óptica. 3. Coletor Solar. 4. Luz natural. 5. Iluminação I. Demonti, Rogers. II. Título. III. Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento – LACTEC. CDD 621.47 CARLOS ADEMAR PURIM DESENVOLVIMENTO DE UM COLETOR SOLAR PARA ILUMINAÇÃO DIRETA COM FIBRA ÓPTICA Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre, no Mestrado Profissional do Programa de PósGraduação em Desenvolvimento de Tecnologia (PRODETEC), realizado pelo Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC) em parceria com o Instituto de Engenharia do Paraná (IEP). Orientador: Dr. Rogers Demonti Co-orientador: Walter Antônio Kapp CURITIBA 2008 À Kátia Sheylla, Laila Thais, Mirela Thaise e Andreis Gustavo, conquistas maiores da minha vida. ii AGRADECIMENTOS Primeiramente devo agradecer ao Lactec - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - pela oportunidade em proporcionar uma bolsa que cobriu os custos deste curso de mestrado. Agradeço de forma destacada ao orientador, Dr. Rogers Demonti e ao coorientador Walter Antônio Kapp pelas horas que dispensaram neste trabalho de orientação. Aos colegas do Lactec que se prontificaram a me apoiar, contribuir com sugestões, auxiliar em testes e dar um significativo incentivo para a conclusão deste trabalho: João Adalberto Pereira, Giordano Bruno Wolaniuk, Rafael Martins e aos estagiários Deivid Ribeiro e André Dall Santos. Ao Prof. Luiz Antônio Florenzano, hoje aposentado das lides educacionais, mas incansável na sua missão de trazer à realidade as ideias que são colocadas no papel, trabalhando num aparentemente desorganizado atelier nos fundos da sua casa, onde ainda se respira o agradável aroma das antigas tornearias mecânicas. Sobretudo, agradeço a Deus pela saúde e pela paz que tenho desfrutado. iii RESUMO Este trabalho apresenta um estudo sobre a potencialidade e viabilidade da utilização de coletores para o aproveitamento da luz solar, visando a iluminação interna de edificações, com a aplicação de fibra óptica como meio de canalização da luz para dentro dos ambientes. Seu principal objetivo é a economia de energia elétrica no período diurno, mas aborda também os benefícios proporcionados pela luz natural na saúde das pessoas, cuja ação atinge aspectos psicológicos e comportamentais. Faz uma sucinta descrição dos desenvolvimentos similares com esta tecnologia em outros países e, finalmente, descreve o projeto, a construção e os testes de um modelo reduzido de coletor solar de baixo custo com transmissão por fibra óptica. Palavras-chave: Energia Solar, Fibra Óptica, Coletor Solar, Luz Natural, Iluminação. iv ABSTRACT This work presents a study on the potential and feasibility of the use of sunlight collectors to light interior of buildings, with the application of fiber optics as a mean of channeling light into the rooms. Its main goal is the economy of electric energy during the daytime, but also addresses the benefits provided by natural light on people‟s health, whose action affects psychological and behavioral aspects. It makes a brief description of similar developments with this technology in other countries and, finally, describes the design, construction and testing of a reduced low-cost model of solar collector with transmission through optical fiber. Key words: Solar Energy, Optic Fiber, Day Lighting, Hybrid Solar Lighting. v LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – GRÁFICO ILUSTRATIVO DO APROVEITAMENTO DA LUMINOSIDADE A PARTIR DA JANELA ................................................................... 2 FIGURA 2 – ESQUEMÁTICO REPRESENTATIVO DA CANALIZAÇÃO DA LUZ SOLAR PARA DENTRO DO AMBIENTE UTILIZANDO COLETOR E FIBRA ÓPTICA .................................................................................................................................... 3 FIGURA 3 – DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL DA RADIAÇÃO SOLAR ......................... 5 FIGURA 4 - CURVAS DA EFICÁCIA LUMINOSA ESPECTRAL. V() CURVA FOTÓPICA – VISÃO DIURNA E V‟() CURVA ESCOTÓPICA – VISÃO NOTURNA.. 6 FIGURA 5 – DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA EM AMBIENTES RESIDENCIAIS NOS ESTADOS UNIDOS ................................................................. 9 FIGURA 6 – DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA EM EDIFICAÇÕES COMERCIAIS NOS ESTADOS UNIDOS .................................................................... 9 FIGURA 7 – MÉDIA DE CARGA DE ILUMINAÇÃO EM RELAÇÃO À DEMANDA MÁXIMA DAS INSTALAÇÕES .................................................................................. 10 FIGURA 8 - COMPARAÇÃO ENTRE A EFICIÊNCIA DA UTILIZAÇÃO DIRETA DA ILUMINAÇÃO E A UTILIZAÇÃO DA CONVERSÃO PRELIMINAR EM ELETRICIDADE ........................................................................................................ 12 FIGURA 9 – REPRESENTAÇÃO DO CICLO CIRCADIANO .................................... 14 FIGURA 10 – O MAIOR (198 LENTES) E O MENOR SISTEMA HIMAWARI (6 LENTES) ................................................................................................................... 15 FIGURA 11 – (A) PAINEL COLETOR SOLAR SP2 DA PARANS (B) DETALHE DOS MOVIMENTOS DE CADA LENTE FRESNEL ........................................................... 16 FIGURA 12 - ATENUAÇÃO DA LUMINOSIDADE EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DO CABO .................................................................................................................. 17 FIGURA 13 – (A) PAINEL SUNLIGHT-DIRECT INSTALADO NO PRÉDIO DA SAN DIEGO UTILITY DISTRICT (B) DETALHE DA MONTAGEM DOS CABOS DE FIBRA NA EXTREMIDADE DA CAPTAÇÃO ........................................................................ 18 FIGURA 14 – PRINCÍPIO DA LENTE DE FRESNEL................................................ 20 FIGURA 15 – PROPAGAÇÃO DA LUZ ATRAVÉS DA FIBRA ÓPTICA ................... 22 FIGURA 16 – CARACTERÍSTICA DA FIBRA MULTIMODO ÍNDICE DEGRAU ....... 23 FIGURA 17 – CARACTERÍSTICA DA FIBRA MULTIMODO ÍNDICE GRADUAL ..... 23 FIGURA 18 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO SISTEMA ELETRÔNICO .................... 25 FIGURA 19 – ESQUEMA SIMPLIFICADO DO CIRCUITO INTEGRADO L298 ........ 27 FIGURA 20 – FUNCIONAMENTO BÁSICO DO CIRCUITO PONTE – MOTOR GIRANDO EM UM DOS SENTIDOS......................................................................... 27 FIGURA 21 – FUNCIONAMENTO BÁSICO DO CIRCUITO PONTE – MOTOR GIRANDO NO SENTIDO REVERSO ........................................................................ 28 vi FIGURA 22 – DIAGRAMA DE BLOCOS FUNCIONAL DO MICROPROCESSADOR ADUC812 .................................................................................................................. 28 FIGURA 23 – EXEMPLOS DE OPERAÇÃO DO ADM809 ........................................ 29 FIGURA 24 – DESENHO EM PERSPECTIVA DO PROTÓTIPO MONTADO .......... 31 FIGURA 25 – SIMULAÇÃO DO MOVIMENTO DA LENTE ENTRE O AMANHECER E O ANOITECER (LONGITUDE) .............................................................................. 32 FIGURA 26 – SIMULAÇÃO DO MOVIMENTO DA LENTE COM RELAÇÃO ÀS ESTAÇÕES DO ANO (LATITUDE) ........................................................................... 33 FIGURA 27 – DETALHE DOS MECANISMOS DE REDUÇÃO PARA MOVIMENTAÇÃO DA LENTE .................................................................................. 37 FIGURA 28 – DETALHE DA MONTAGEM DAS MICROCHAVES DE FIM-DECURSO ..................................................................................................................... 37 FIGURA 29 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PLACA DE CONTROLE ................ 39 FIGURA 30 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PLACA DRIVER DOS MOTORES 40 FIGURA 31 – DIAGRAMA GERAL DA MALHA DE CONTROLE.............................. 42 FIGURA 32 – DETALHE DA MONTAGEM DOS SENSORES EXTERNOS ............. 43 FIGURA 33 – CIRCUITO ELÉTRICO DA INTERFACE SERIAL ............................... 44 FIGURA 34 – FONTE DE ALIMENTAÇÃO DA PLACA DE CONTROLE .................. 45 FIGURA 35 – FLUXOGRAMA DA ROTINA PRINCIPAL DO SOFTWARE ............... 47 FIGURA 36 – GERAÇÃO DO SINAL PWM............................................................... 48 FIGURA 37 – PROTÓTIPO DO COLETOR SOLAR MONTADO .............................. 50 FIGURA 38 – DETALHE DO ACABAMENTO DA EXTREMIDADE DA FIBRA ÓPTICA PLÁSTICA ................................................................................................... 51 FIGURA 39 – MONTAGENS DOS ENSAIOS DE PERDA DA FIBRA ÓPTICA ........ 53 FIGURA 40 – REALIZAÇÃO DO ENSAIO DAS PERDAS DA FIBRA PLÁSTICA..... 53 FIGURA 41 – DETALHE DA EXTREMIDADE DO CABO MOSTRANDO OS FILAMENTOS DE PMMA .......................................................................................... 54 FIGURA 42 - CABEÇOTE PARA FIBRA ÓPTICA COM DISSIPADOR ................... 55 FIGURA 43 – CABEÇOTE COM DISSIPAÇÃO ........................................................ 56 FIGURA 44 – DISPOSIÇÃO DOS PARES DE SENSORES INTERNOS E EXTERNOS APÓS OS TESTES INICIAIS ................................................................ 57 FIGURA 45 – FORMA DE ONDA DE TENSÃO SOBRE O MOTOR 2 COM MOVIMENTO SENTIDO LESTE (PWM = 17%) ........................................................ 58 FIGURA 46 – FORMA DE ONDA DE TENSÃO NO MOTOR 1 COM MOVIMENTO PARA O NORTE (PWM = 13%) ................................................................................ 58 FIGURA 47 – FORMA DE ONDA DE TENSÃO NO MOTOR 1 NO SENTIDO SUL (PWM = 57%) ............................................................................................................ 59 FIGURA 48 - FORMA DE ONDA DE CORRENTE NO MOTOR1 COM MOVIMENTO NO SENTIDO SUL (PWM = 57%) ............................................................................. 59 vii FIGURA 49 - MONTAGEM PARA A MEDIÇÃO DA INTENSIDADE LUMINOSA NA EXTREMIDADE DA FIBRA ÓPTICA......................................................................... 60 FIGURA 50 – MEDIÇÃO DA INTENSIDADE LUMINOSA: (A) MEDIÇÃO NA SUPERFÍCIE DA LENTE, (B) MEDIÇÃO NA SAÍDA DA CÂMARA ESCURA, (C) E (D) DETALHE DA EXTREMIDADE DA FIBRA ÓPTICA ILUMINADA ....................... 61 FIGURA 51 – MEDIÇÃO DO FLUXO LUMINOSO COM A UTILIZAÇÃO DA ESFERA INTEGRADORA ........................................................................................................ 62 FIGURA 52 – FLUXO LUMINOSO RESULTANTE EM FUNÇÃO DO ILUMINAMENTO DA LUZ SOLAR PARA O PROTÓTIPO DESENVOLVIDO .......... 63 viii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ADC Analog to Digital Converter AI Analog Input CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua CMOS Complementary Metal–Oxide Semiconductor CPU Central Processing Unit DAC Digital to Analog Converter DC Direct Current DI Digital Input F.C. Fim-de-Curso GND Ground GPS Global Positioning System IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor LDR Light Dependent Resistor MOSFET Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor MUX Multiplex OSC Oscilador PMMA Polymethylmethacrylate PWM Pulse-Width Modulation rpm Rotações por minuto RxD Via de Recepção SAD Seasonal Affetive Disturbe TTL Transistor-Transistor Logic TxD Via de Transmissão UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter US United States Vref Tensão de referência XTAL Cristal Oscilador ix SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 1 1.1 MOTIVAÇÃO ....................................................................................................... 1 1.2 OBJETIVOS......................................................................................................... 3 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ...................................................................... 4 2 UMA VISÃO GERAL SOBRE O TEMA ............................................................... 5 2.1 CONSIDERAÇÕES SOBRE LUZ, ILUMINAÇÃO E SUAS GRANDEZAS .......... 5 2.2 CONSIDERAÇÕES SOBRE O CONSUMO DE ENERGIA EM ILUMINAÇÃO .... 8 2.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE A EFICIÊNCIA DA SOLUÇÃO COM FIBRA ÓPTICA ............................................................................................................ 11 2.4 CONSIDERAÇÕES SOBRE OS BENEFÍCIOS DA LUZ NATURAL .................. 12 2.4.1 Com relação às plantas ................................................................................... 12 2.4.2 Com relação ao corpo humano ........................................................................ 13 2.5 REVISÃO EM DISPOSITIVOS DE COLETORES COM FIBRA ÓPTICA PARA APROVEITAMENTO DA LUZ NATURAL ......................................................... 14 2.5.1 O sistema Himawari ......................................................................................... 15 2.5.2 O sistema Parans ............................................................................................ 16 2.5.3 O sistema Sunlight Direct................................................................................. 17 2.6 RESUMO DO CAPÍTULO .................................................................................. 19 3 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS .................... 20 3.1 LENTE CONCENTRADORA ............................................................................. 20 3.2 FIBRAS ÓPTICAS ............................................................................................. 21 3.3 COMPONENTES ELETRÔNICOS .................................................................... 24 3.3.1 Sensores ópticos ............................................................................................. 26 3.3.2 Motores de corrente contínua .......................................................................... 26 3.3.3 L298 - Dual full-bridge driver ............................................................................ 26 3.3.4 Microprocessador AduC812............................................................................. 28 3.3.5 ADM809 Microprocessor supervisory circuit .................................................... 29 3.3.6 78L05 Regulador de tensão ............................................................................. 29 4 PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO ...................................................................... 30 4.1 MECÂNICA ........................................................................................................ 30 4.1.1 Projeto dos mecanismos de redução ............................................................... 33 4.1.2 Construção do mecanismo .............................................................................. 36 x 4.2 ELETRÔNICA .................................................................................................... 37 4.2.1 Descrição geral dos circuitos e da malha de controle ...................................... 37 4.2.2 Sensores de rastreamento da posição do sol .................................................. 43 4.2.3 Interface serial para transferência do programa e monitoração do microprocessador ...................................................................................................... 44 4.2.4 Fonte de alimentação....................................................................................... 44 4.2.5 Comandos de movimentação manual e calibração ......................................... 45 4.2.6 Software ........................................................................................................... 45 4.2.7 Geração dos pulsos PWM para o controle da velocidade dos motores ........... 48 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS .................................................................... 50 5.1 ENSAIOS COM A FIBRA PLÁSTICA ................................................................ 51 5.2 SOLUÇÃO DO PROBLEMA DO AQUECIMENTO ............................................ 54 5.3 ENSAIOS PRÁTICOS DE RASTREAMENTO DO SOL .................................... 57 5.3.1 Medição da tensão de offset dos motores ....................................................... 57 5.3.2 Formas de onda do sinal PWM sobre os motores ........................................... 58 5.4 ENSAIOS LUMINOTÉCNICOS ......................................................................... 59 5.4.1 Medição da Intensidade Luminosa (cd) ........................................................... 60 5.4.2 Medição do fluxo luminoso (lm) ....................................................................... 61 5.4.3 Análise dos resultados ..................................................................................... 62 6 CONCLUSÕES .................................................................................................. 65 6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 65 6.2 DESENVOLVIMENTOS FUTUROS .................................................................. 66 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 67 xi 1 INTRODUÇÃO 1.1 MOTIVAÇÃO Calcula-se que a Terra recebe mais de 1.500 quatrilhões (1,5x10 18) de quilowatts-hora de energia por ano, energia que é equivalente a cerca de 10.000 vezes a energia consumida por toda a população [1]. O território brasileiro, pela sua posição geográfica entre a linha do Equador e o Trópico de Capricórnio, recebe uma incidência solar muito favorável. A média anual de energia incidente na maior parte do Brasil varia entre 4,5 kWh/m² e 5,5 kWh/m² [2]. Já tem sido bastante explorado o tema da energia solar como fonte alternativa na matriz energética. No entanto, a maior parte dos trabalhos foca a conversão da energia solar em energia elétrica através de painéis fotovoltaicos e seu armazenamento em baterias ou a utilização do calor gerado pelo sol para a utilização em sistemas de aquecimento de água. Uma lacuna ainda não preenchida nestes estudos é o melhor aproveitamento direto da luz solar em iluminação. Esta afirmação pode parecer, num primeiro momento, um contrassenso uma vez que todas as construções possuem janelas e outras aberturas para a entrada de luz. Mas basta uma observação mais atenta para verificar que a maioria dos locais de trabalho – escritórios e fábricas – permanece com suas luzes acesas durante o dia. Pela arquitetura tradicional só existem duas formas de aproveitamento da luz natural para iluminação de ambientes: aberturas verticais - através das janelas, e entradas de luz pelo teto - através de claraboias e tetos solares. Estas aberturas nem sempre são possíveis devido às características arquitetônicas ou intensa densidade de construções urbanas. Por isso, também em plantas residenciais são frequentemente encontrados ambientes com deficiência de iluminação. Edifícios com grandes áreas e com divisões internas possibilitam uma iluminação adequada nas partes periféricas, mas não atende a iluminação das áreas centrais. Tem-se como regra de projeto, o aproveitamento da luz natural até a distância de 1,5 a 2,5 vezes a altura da janela, conforme mostra a Figura 1 [3]. As aberturas para a entrada de luz natural em uma edificação, assim como um bom projeto de iluminação elétrica, precisam receber um tratamento adequado na sua concepção para não introduzir outros agravantes. 2 FIGURA 1 – GRÁFICO ILUSTRATIVO DO APROVEITAMENTO DA LUMINOSIDADE A PARTIR DA JANELA A diferença de contraste entre a iluminação exterior, na ordem de 100000 lx em um dia claro, e a iluminação do ambiente interno – na faixa de 300 a 1000 lx – podem provocar ofuscamentos desconfortáveis. Além disso, a entrada de calor pelas janelas pode exigir um maior consumo dos equipamentos de ar condicionado, anulando assim o ganho obtido com a economia de energia pela iluminação natural. Um bom projeto de uso da luz natural, portanto, deve atender a todos estes aspectos [4]. O intenso uso de computadores nos escritórios é outro fator que implica cuidados no uso da iluminação natural através de janelas. Para um conforto na visualização da tela, a iluminação não pode ser, nem frontal, pois a iliuminação da janela pode ofuscar a visão do tela, nem de retaguarda, uma vez que nesta situação há grande chance de reflexos. Percebe-se que, para o trabalho com computadores, a iluminação vinda do teto é a mais adequada justamente a disponível com a iluminação elétrica. Esta é a razão de que muitos edifícios envidraçados ficam a maior parte do tempo com persianas e cortinas fechadas. Um dispositivo que pudesse coletar e „canalizar‟ a luz solar para dentro do ambiente sem necessidade de aberturas e nem de alterações estruturais e arquitetônicas das construções existentes pode ser de grande utilidade (Figura 2). Um trabalho publicado por Ghisi e Tinker em 2004 (5) mostra que o potencial de economia de energia em iluminação utilizando fibras ópticas variou de 19,8% a 79,4% para sete cidades no Brasil e de 56,0% a 89,2% para a cidade no Reino Unido. No estudo realizado no Reino Unido, mostrou-se também que poderia ocorrer 3 uma redução na emissão de dióxido de carbono de 138 kg/m2 por ano caso houvesse integração da iluminação artificial com a natural suprida por fibras ópticas. É com este objetivo que este trabalho apresenta uma solução de utilização de de fibra óptica como elemento de transporte da luz. Pelas suas características de maleabilidade, pode ser tratada similarmente a um ponto de iluminação elétrica, levando-se a iluminação natural para locais não atingidos pelas aberturas disponíveis na construção, ou aumentando o conforto do ambiente pela disponibilização da luz natural pelo teto (ou outro arranjo) e ainda tendo-se o benefício da economia da energia elétrica. FIGURA 2 – ESQUEMÁTICO REPRESENTATIVO DA CANALIZAÇÃO DA LUZ SOLAR PARA DENTRO DO AMBIENTE UTILIZANDO COLETOR E FIBRA ÓPTICA 1.2 OBJETIVOS A presente dissertação visa descrever o desenvolvimento de modelo reduzido de um dispositivo óptico-eletromecânico que aproveite a iluminação solar incidente sobre uma superfície, sendo esta luminosidade concentrada e transportada diretamente para dentro do ambiente através de feixes de fibras ópticas. A este dispositivo denominou-se de Coletor Solar de Iluminação Direta com Fibra Óptica. O trabalho teve também como foco a obtenção de um protótipo de baixo custo utilizando-se de componentes de fácil aquisição no mercado. Os objetivos específicos englobam: 4 Selecionar uma lente para concentrar a luminosidade incidente na sua superfície e cujo foco será a extremidade de um cabo de fibras ópticas; Projetar e construir um dispositivo mecânico para movimentar esta lente de acordo com o movimento aparente do sol, visando manter sempre o foco sobre a extremidade da fibra; Desenvolver um circuito eletrônico que faça o acionamento dos motores do dispositivo mecânico a partir da leitura dos sinais de sensores fotoelétricos posicionados na estrutura mecânica; Realizar ensaios para levantar a eficiência do cabo de fibras ópticas para este tipo de aplicação; Realizar testes de campo comprovando a eficiência do mecanismo quanto à rastreabilidade do movimento aparente do sol. 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Neste capítulo já foi exposta a principal motivação para a realização do trabalho, bem como seu caráter prático e utilitário. O capítulo 2 apresenta uma revisão sobre os temas: iluminação, consumo de energia em iluminação, benefícios da luz natural, além de apresentar um descritivo de soluções similares que tem sido desenvolvidas em outras partes do mundo. O capítulo 3 descreve os principais componentes utilizados na montagem do protótipo descrevendo algumas características importantes e, quando for o caso, a justificação da escolha do componente ou material. O capítulo 4 apresenta um detalhamento do projeto e a descrição da construção das diversas partes, tanto no que se refere à mecânica quanto aos circuitos eletrônicos. O capítulo 5 apresenta os resultados experimentais do funcionamento do protótipo, modificações que foram introduzidas no projeto para atender o objetivo geral, bem como, uma análise dos resultados obtidos com os testes. Finalmente, o capítulo 6 faz uma avaliação da aplicabilidade do equipamento e uma conclusão do trabalho, apresentando também algumas sugestões de aperfeiçoamentos futuros. 5 2 UMA VISÃO GERAL SOBRE O TEMA 2.1 CONSIDERAÇÕES SOBRE LUZ, ILUMINAÇÃO E SUAS GRANDEZAS Em 1860, na publicação da teoria matemática do eletromagnetismo, Maxwell sugeriu que a luz fosse uma onda eletromagnética [6]. Esta energia radiante que nos chega à retina dos olhos nada mais é do que variação de intensidade e comprimento de onda formando imagens no nosso cérebro. Dentro do espectro das ondas eletromagnéticas, a luz visível ocupa uma pequena faixa entre os comprimentos de onda de 400 nm e 700 nm. Abaixo dos 400 nm está a faixa dos raios ultravioletas e, acima dos 700 nm, a faixa do infravermelho [7]. O sol emite um largo espectro de radiações, sendo que boa parte não é de luz visível. A Figura 1 apresenta o espectro solar sendo que a linha azul refere-se ao níveis observados na superfície do mar(*). FIGURA 3 – DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL DA RADIAÇÃO SOLAR A intensidade da luz como o olho humano a percebe depende do ambiente que lhe cerca. Se o olho é mantido num ambiente escuro por algum tempo, (*) Fonte: http://www.learn.londonmet.ac.uk/packages/clear/visual/daylight/sun_sky/sun.html - acesso em 30/8/2007 6 automaticamente se tornará mais sensível pela abertura da íris. Se a intensidade aumentar bruscamente, o olho terá uma sensação de brilho maior do que normalmente seria, uma vez que há um tempo de acomodação a esta nova situação. Desta forma, este conceito vago de „brilho da luz‟ precisa ser definido através de uma padronização da medição da intensidade luminosa. A sensibilidade da vista segue uma curva em forma de sino em relação aos comprimentos de onda da radiação, ou seja, a sensibilidade do olho varia não apenas com a potência luminosa, mas também com o comprimento de onda da radiação. Um comprimento de onda de 554 nm produz a máxima excitação da retina. Mais tarde, constatou-se também uma variação da sensibilidade para um deslocamento desta curva em baixas luminosidades, cuja sensibilidade máxima ocorre em 507 nm [8]. A primeira curva foi denominada Curva Fotópica V(γ) para visão diurna; a segunda, para visão noturna, foi denominada Curva Escotópica V‟(γ). Estas curvas estão apresentadas na Figura 2. FIGURA 4 - CURVAS DA EFICÁCIA LUMINOSA ESPECTRAL. V() CURVA FOTÓPICA – VISÃO DIURNA E V‟() CURVA ESCOTÓPICA – VISÃO NOTURNA O Sistema Internacional (SI) define algumas grandezas e unidades utilizadas em Luminotécnica, das quais extraímos algumas que são importantes neste trabalho: 7 Grandeza: INTENSIDADE LUMINOSA Unidade: candela Símbolo: cd Definição: Intensidade luminosa, numa direção dada, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de freqüência 540.10 12 Hertz e cuja intensidade energética naquela direção é 1/683 watt por esterradiano(). Esta unidade de base foi ratificada em 1979 pela 16ª CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures). Grandeza: FLUXO LUMINOSO Unidade: lúmen Símbolo: lm Definição: Fluxo luminoso emitido por uma fonte puntiforme e invariável de 1 candela, de mesmo valor em todas as direções, no interior de um ângulo sólido de 1 esterradiano. Grandeza: ILUMINAMENTO Unidade: lux Símbolo: lx Definição: Iluminamento de uma superfície plana de um metro quadrado de área, sobre a qual incide perpendicularmente um fluxo luminoso de 1 lúmen, uniformemente distribuído. Grandeza: EXITÂNCIA LUMINOSA Unidade: lumen por metro quadrado Símbolo: lm/m2 Definição: Exitância luminosa de uma superfície plana de um metro quadrado de área, que emite uniformemente um fluxo luminoso de 1 lúmen. Grandeza: EFICIÊNCIA LUMINOSA Unidade: lúmen por watt Símbolo: lm/W Definição: Relação entre o fluxo luminoso emitido em lúmens e a potência consumida pela lâmpada em watts () esterradiano ou esferorradiano (símbolo sr) é definido como o ângulo sólido que, tendo o vértice 2 no centro de uma esfera, leva a um corte em sua superfície com área igual a r . Dado que a área da superfície da esfera é 4r², a definição implica que o ângulo sólido de uma esfera completa mede 4 sr. 8 Na ciência da luminotécnica foram definidas algumas leis fotométricas. Destacamos uma delas que é conhecida como Lei do Inverso do Quadrado das Distâncias. Esta lei estabelece que o iluminamento em um ponto perpendicular à linha que une o ponto e a fonte puntiforme é igual à intensidade luminosa desta fonte, na direção desse ponto, dividida pelo quadrado da distância entre a fonte e o ponto. Isto significa que, se a distância entre a fonte e o objeto a ser iluminado for duplicada, a luminosidade diminui quatro vezes. Isto explica a forte atenuação do iluminamento de uma superfície à medida que a fonte de luz se distância. 2.2 CONSIDERAÇÕES SOBRE O CONSUMO DE ENERGIA EM ILUMINAÇÃO Por longo período da história, o sol e a lua eram as fontes de luz que o homem dispunha para enxergar o mundo e os objetos. Ao controlar o fogo, iniciou a utilização para seu próprio aquecimento, preparação de alimentos e como fonte de luz. Apesar do aperfeiçoamento dos candelabros e lamparinas, o fogo foi a única fonte de luz artificial até o final do século XIX quando Thomas Alva Edison inventou a lâmpada elétrica em 1879, utilizando um filamento de carbono operando em ambiente de vácuo num bulbo de vidro. Pode-se dizer que a geração e distribuição da energia elétrica, como conhecemos hoje, foi devido ao grande impacto que esta inovação trouxe à humanidade. O vínculo entre energia elétrica e iluminação é tão forte que o termo „conta de luz‟ é frequentemente utilizado no meio popular para se referir ao faturamento da energia elétrica. Neste panorama, a iluminação dos ambientes internos durante o dia, até o início do século XX, era focado na utilização da luz natural. No entanto, o custo e o desempenho das lâmpadas elétricas foram melhorando e gradativamente foram influenciando a arquitetura das construções, em especial os edifícios comerciais, ficando minimamente dependente da luz natural. Como resultado, as lâmpadas elétricas representam grande parcela do consumo de eletricidade nas construções comerciais. Como já foi mencionado, isto se deve a massificação do uso de computadores, cujas telas são prejudicadas por iluminação inadequada, e pelo conforto térmico e acústico, uma vez que pelas janelas também entra calor, frio e ruídos. 9 Este comportamento faz com que os gastos com energia elétrica no item iluminação sejam significativos. Nos Estados Unidos, a iluminação representa 24% do total do consumo de energia nos prédios comerciais e 12% nos edifícios residenciais[8,9]. A Figura 3 mostra a distribuição dos consumos de energia elétrica nas suas várias aplicações em ambientes residências [9] e a Figura 4 apresenta os mesmos dados para edificações comerciais [10]. Aquecimento do ambiente 31% Ajuste do SEDS 5% Outros 4% Culinária 5% Aquecimento de água 13% Desumidificadores 5% Eletrônicos 5% Refrigeração 8% Resfriamento do ambiente 11% Iluminação 12% Consumo Total de Energia: 21,07 Quatrilhões de BTU FIGURA 5 – DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA EM AMBIENTES RESIDENCIAIS NOS ESTADOS UNIDOS Ajuste para SEDS 13% Iluminação 24% Outros 10% Culinária 2% Aquecimento do ambiente 13% Eletrônicos 6% Ventilação 6% Aquecimento de água 11% Refrigeração 6% Resfriamento do ambiente 11% Consumo Total de Energia: 17,40 Quatrilhões de BTU Excluindo-se consumo de energia do setor industrial FIGURA 6 – DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA EM EDIFICAÇÕES COMERCIAIS NOS ESTADOS UNIDOS 10 O governo americano está investindo pesadamente na redução do consumo de energia das fontes convencionais e, através do Energy Policy Act of 2005 [11], estabeleceu a meta de 3% do uso de energias renováveis no período 2007-2009, 5% no período 2010-2012 e 7,5% a partir de 2013. Recursos estão sendo direcionados na utilização da luz natural dentro de programas do Federal Energy Management Program [12]. No Brasil, segundo a Pesquisa Nacional de Posses e Hábitos – Ano Base 2005 realizado pelo Procel da Eletrobrás [13], o consumo residencial em iluminação não é tão alto, ficando no patamar de 14%. Os levantamentos mostram um desnível significativo entre a região sudeste, que utiliza 19% da energia doméstica em iluminação, e a região sul, que apresenta um percentual de 8% para esta mesma aplicação. Em consumidores comerciais ligados em alta tensão, a iluminação representa, no global, um percentual de 17% em relação à demanda máxima das instalações, havendo significativo desnível entre o setor de entretenimentos (41%) e o setor de lojas de atacado (5%) [14]. A Figura 7 apresenta a média de carga de iluminação em relação à demanda máxima das instalações para cada um dos setores pesquisados. Ainda, segundo Magalhães [15], 24% da energia consumida em prédios públicos é utilizada em iluminação. FIGURA 7 – MÉDIA DE CARGA DE ILUMINAÇÃO EM RELAÇÃO À DEMANDA MÁXIMA DAS INSTALAÇÕES 11 Pode-se constatar, assim, que o consumo de energia elétrica para iluminação, tanto residencial, quanto comercial, representa um percentual significativo, e que ações visando a sua redução será benéfico para a sociedade. 2.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE A EFICIÊNCIA DA SOLUÇÃO COM FIBRA ÓPTICA Segundo Muhs [16], o sol emite uma potência de 970 W/m2 em todo o seu espectro, sendo que praticamente a metade está na faixa do infravermelho. Se filtrarmos esta região, cujos comprimentos de onda estão acima de 700 nm, e os comprimentos de onda abaixo de 400 nm, resulta em que o espectro visível apresenta uma potência de 490 W/m2. Como a intensidade luminosa incidente na superfície da terra ultrapassa os 100000 lx [3], ou seja, 100000 lm/m2, a eficiência teórica é ligeiramente acima de 200 lm/W. Mesmo considerando-se uma perda de 70% na coleta e transporte da luz através de um sistema de fibra óptica, é possível a obtenção de uma eficiência de 60 lm/W (eficiência de 30%). Há que se considerar ainda, numa análise mais detalhada, a contribuição do aquecimento do ambiente pelos reatores e as próprias lâmpadas e que certamente vai exigir mais energia do sistema de ar condicionado, enquanto que um sistema de iluminação por fibra óptica elimina este inconveniente. Pode-se fazer uma comparação com o rendimento da iluminação elétrica. Lâmpadas fluorescentes tradicionais de 20 W emitem um fluxo luminoso de 1.060 lm conforme dados dos fabricantes. Isto corresponde a uma eficiência elétrica de 53 lm/W. Lâmpadas incandescentes têm rendimento muito inferior, na faixa de 9 a 16 lm/W. As novas famílias de lâmpadas fluorescentes tubulares chegam a um fluxo luminoso de 1.350 lm com 14 W, resultando em uma eficiência elétrica de 96 lm/W. Se compararmos com uma solução de conversão fotovoltaica o desnível fica muito evidente. A eficiência no processo de conversão está chegando a cerca de 10%. Somando-se perdas com armazenamento, transporte, conversão de corrente contínua para corrente alternada e mais a contribuição da própria lâmpada na conversão para energia luminosa, o rendimento do sistema resulta entre 1 a 5%[17]. A Figura 6 apresenta um comparativo entre estas tecnologias. A grande limitação da iluminação direta é a impossibilidade do armazenamento da energia em forma de luz. Desta forma, sua aplicação restringe-se ao período diurno e na presença do sol. Esta limitação é contornada pelos diversos sistemas 12 utilizando-se de luminárias híbridas, isto é, com lâmpadas convencionais associadas às fibras ópticas que chegam do coletor externo. Um sensor de luminosidade controla o nível do brilho das lâmpadas para complementar a luminosidade sempre que a iluminação solar não é suficiente. Painel Baterias Coleta e Distribuição Conversor DC - AC Uso Final Luz Natural Eficiência: 20 - 30% Uso Final Luz Elétrica 1 - 5% FIGURA 8 - COMPARAÇÃO ENTRE A EFICIÊNCIA DA UTILIZAÇÃO DIRETA DA ILUMINAÇÃO E A UTILIZAÇÃO DA CONVERSÃO PRELIMINAR EM ELETRICIDADE 2.4 CONSIDERAÇÕES SOBRE OS BENEFÍCIOS DA LUZ NATURAL 2.4.1 Com relação às plantas A importância da luz no processo de crescimento das plantas denominado de fotossíntese é bem conhecida. Todos os organismos necessitam de energia para suas reações químicas. Estas reações são necessárias para a reprodução, crescimento, ou outras atividades. Organismos fotossintéticos, como as plantas usam a energia da luz para produzir glicose (carboidrato). A glicose é usada para satisfazer as necessidades energéticas da célula. A fotossíntese é, portanto, um 13 processo no qual a energia solar é transformada e armazenada em glicose para uso posterior [18]. Um dos fatores estimulantes a uma boa fotossíntese é a qualidade espectral, ou seja, uma luz que contenha todos os comprimentos de onda do espectro[19]. Muitas plantas não se adaptam às condições de iluminação artificial, justamente porque esta irradia apenas parte do espectro da luz natural. 2.4.2 Com relação ao corpo humano Mesmo quando os projetos arquitetônicos levam em consideração o aproveitamento da luz natural, seus objetivos se restringem ao aproveitamento da luz natural para mitigar o uso de energia elétrica, ou por aspectos meramente estéticos. No projeto e construção de novas edificações ainda não é levado em consideração fatores biológicos e psicológicos que a luz natural tem sobre o ser humano. Está se descobrindo que os efeitos da luz natural sobre o humor e o comportamento das pessoas tem sido tão benéficos quanto a economia de energia. A luz natural resulta em maior produtividade, menor absenteísmo, menor índice de erros no trabalho, estimulando atitudes positivas, reduzindo a fadiga e diminuindo problemas de visão [20]. O corpo humano usa a luz como um nutriente para os processos metabólicos similarmente à água ou alimentos. A luz natural estimula as funções biológicas no cérebro. Em dias nublados ou em condições de pouca luminosidade, a dificuldade de perceber as cores pode afetar o humor e os níveis de energia[21]. Pelo menos 11 expressivos estudos foram realizados comprovando a eficácia da luz natural na redução da depressão em pacientes com transtorno bipolar (bipolar disorder) e distúrbio afetivo sazonal (seasonal affective disturb – SAD) [22]. Para se compreender melhor como e porque nosso corpo reage à luz natural faz-se necessário um breve foco num tema denominado ritmo circadiano. O papel do sistema circadiano é estabelecer uma representação interna do dia e da noite. Esta representação interna não é uma resposta passiva das condições externas, mas um elemento preditivo das condições que ainda estão por vir. O sistema circadiano humano envolve três componentes: um oscilador interno (endógeno), localizado no núcleo supraquiasmático; um número de osciladores externos (exógenos) que tem a função de sincronizar o oscilador interno, e a melatonina, um hormônio que opera como um mensageiro transportando a informação do tempo para todas as partes do 14 corpo através da corrente sanguínea. Na ausência da luz, e de outros marcos externos, o oscilador interno continua a operar, mas com um período mais longo que 24 horas do dia. Estímulos externos são necessários para sincronizar o oscilador interno no período de 24 horas, bem como o ajuste das estações do ano. A alternância claro-escuro entre o dia e a noite é um dos mais importantes estímulos externos usados para a sincronia [23]. A razão de a luz natural ser mais conveniente para o ritmo circadiano é que ela é mais intensa e o espectro de cores mais abrangente. A sensibilidade do corpo humano é mais acentuada com o comprimento de onda de 465 nm [24]. Foi somente em 2002 que o pesquisador David Berson da Brown University descobriu uma nova célula na retina operando como um fotorreceptor e que age como cadenciador do ritmo do corpo. Esta célula é também conhecida como terceiro receptor, uma vez que eram conhecidos dois fotorreceptores, um para a identificação das cores e o outro para o reconhecimento do contraste, respectivamente conhecidos como cone e bastonete [25]. A Figura 7 apresenta esquematicamente as oscilações de elementos do ritmo CICLO CIRCADIANO circadiano durante um período de 24 horas [26]. Cortisol Melatonina Estado de alerta Temperatura do corpo TEMPO 6 12 18 24 6 12 18 24 6 FIGURA 9 – REPRESENTAÇÃO DO CICLO CIRCADIANO 2.5 REVISÃO EM DISPOSITIVOS DE COLETORES COM FIBRA ÓPTICA PARA APROVEITAMENTO DA LUZ NATURAL Embora existam inúmeros trabalhos descrevendo o aproveitamento da luz natural utilizando-se de canalizações da luz por meio de tubulações, espelhos e outros dispositivos, o foco desta revisão é apresentar o estado da arte no desenvolvimento de coletores que concentram a luz e a transmitem através de fibras ópticas para dentro do ambiente. Estes coletores têm em comum os seguintes pontos: a) os raios luminosos são concentrados, b) transportados através de um feixe de fibras ópticas sem conversão 15 para energia elétrica e c) a luz transportada pela fibra é aplicada em luminária apropriada para dispersar a luz no ambiente. Para esta revisão do estado da arte foram selecionados três sistemas, cujo avanço tecnológico alcançado já permitiu sua disponibilidade no mercado. 2.5.1 O sistema Himawari Este sistema baseia-se na concentração da luz solar por lentes Fresnel e a transmissão da luz por fibras ópticas de vidro. O início do seu desenvolvimento se deu na década de 70 pelo professor Kei Mori e uma versão monolente foi apresentada em 1979. A denominação Himawari se deu em referência a palavra japonesa que significa girassol [27]. Atualmente é produzido pela empresa japonesa La Forêt Engineering Co. [28] e dispõe de diversas versões comerciais, começando com um sistema com seis lentes totalizando 425 cm2 de área coletora até um potente sistema com 198 lentes totalizando 14.035 cm2. As lentes Fresnel têm formato hexagonal formando uma colméia, e este conjunto move-se na direção do sol por meio do acionamento de motores controlados por circuitos sensores e relógio interno. Ao anoitecer o conjunto é girado para a posição do sol no amanhecer. FIGURA 10 – O MAIOR (198 LENTES) E O MENOR SISTEMA HIMAWARI (6 LENTES) Cada uma das lentes foca uma terminação de fibra óptica com diâmetro de 1 mm. Seis fibras formam um cabo, permitindo assim a modularidade de sistemas com 6, 12, 36, 90 e 198 lentes. Cada fibra permite a transmissão de um fluxo luminoso de 1.920 lm a uma distância de 15 m. O ângulo de dispersão da luz na terminação da fibra é de 58º. Sendo instalada a uma altura de 2,5 m, vai iluminar uma área circular no piso de 2,77 m de diâmetro com 445 lx no centro do círculo e 318 lx de iluminação média – dados obtidos na página da internet do fabricante. 16 2.5.2 O sistema Parans Desenvolvido na Suécia pela empresa Parans [29] que produz e comercializa um único modelo de coletor, o SP2. Este coletor, de praticamente um metro quadrado de área, (mede 980 mm por 980 mm e 180 mm de espessura) pode ser instalado tanto sobre o telhado quanto na lateral de paredes. No painel existem 64 pequenas lentes Fresnel, com possibilidade de movimento individual em torno do seu eixo para melhor captação da luz. Um circuito eletrônico microprocessado aciona os motores a partir de informações de fotossensor. Segundo as informações obtidas na página da internet, o painel não exige critérios rígidos para sua instalação. Depois de instalado, o sensor faz uma varredura do céu para detectar a posição do sol acionando o movimento para colocar todas as lentes em posição perpendicular aos raios do sol. A luz concentrada em cada lente é direcionada para uma fibra de 0,75 mm. O painel pode coletar a luz solar com um ângulo incidente de 60º da direção do sol, formando, portanto, um cone ativo de 120º. Isto representa uma média de 8 horas diárias de luz. Como fluxo luminoso de saída, o SP2 fornece 14.000 lm com a iluminância normal de 100.000 lx. O painel é ligado a uma rede de 220 V e consome 2 W de potência. A Figura 9 mostra detalhes deste tipo de painel. (A) (B) FIGURA 11 – (A) PAINEL COLETOR SOLAR SP2 DA PARANS (B) DETALHE DOS MOVIMENTOS DE CADA LENTE FRESNEL Em cada painel são conectados quatro cabos de fibras plásticas tipo PMMA – Polimetilmetacrilato de 6 mm de diâmetro e 20 m de comprimento. A transmissão de luz é de 96,5% por metro, ou seja, a atenuação é de 3,5% por metro linear de cabo. A Figura 10 apresenta o gráfico da atenuação em função do comprimento do cabo de fibra óptica. 17 FIGURA 12 - ATENUAÇÃO DA LUMINOSIDADE EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DO CABO A empresa produz também as luminárias apropriadas para a aplicação com o coletor, algumas delas equipadas com lâmpadas fluorescentes para complementar a iluminação automaticamente e na proporção do nível pré-determinado para o ambiente. As informações foram obtidas na página da internet do fabricante. 2.5.3 O sistema Sunlight Direct Este projeto foi desenvolvido por um consórcio de 28 instituições, dentre universidades, laboratórios e empresas privadas, dentre elas a 3M, Sandias National Laboratories e Oak Ridge National Laboratory e apoiado pelo programa de energias renováveis do governo americano denominado EERE – Energy Effciency and Renewable Energy do Departamento de Energia US DOE – U.S. Departament of Energy. O sistema baseia-se num coletor parabólico espelhado de cerca de 1,3 m de diâmetro. No foco deste espelho parabólico fica instalado um espelho secundário que retorna o feixe concentrado para o centro do espelho principal e onde estão instalados oito cabos de fibras ópticas plásticas. Este espelho secundário tem adicionalmente a função de filtrar a porção visível do espectro solar eliminando assim o espectro dos raios ultravioletas e infravermelhos. Um pequeno painel fotovoltaico, especialmente desenvolvido para este coletor, aproveita a energia do espectro infravermelho filtrado pelo espelho secundário para gerar a energia 18 necessária à operação do mesmo. A Figura 11(A) apresenta a foto de um painel já instalado em San Diego, CA, e a Figura 11(B) o detalhe da montagem dos cabos de fibra na extremidade de captação. (A) (B) FIGURA 13 – (A) PAINEL SUNLIGHT-DIRECT INSTALADO NO PRÉDIO DA SAN DIEGO UTILITY DISTRICT (B) DETALHE DA MONTAGEM DOS CABOS DE FIBRA NA EXTREMIDADE DA CAPTAÇÃO O circuito eletrônico deste projeto não baseia a posição do sol em sensores como é o caso dos sistemas descritos anteriormente. Um receptor GPS (Global Positioning System) localiza a posição da latitude e longitude de onde está instalado o coletor e, um software processa uma equação da posição astronômica do sol desenvolvido pela US Naval Observatory, com precisão de 1/60º para os próximos 300 anos, em relação à posição do coletor. Com estas informações, o rastreamento do sol pode ser obtido com resolução de 0,1º. O controlador atualiza a posição do coletor a cada intervalo de um segundo. Como nos outros sistemas, foram projetadas luminárias apropriadas para a aplicação com este coletor, tendo-se lâmpadas fluorescentes com controle de luminosidade para complementar a iluminação necessária no ambiente na ausência ou redução da luminosidade natural. Uma empresa foi licenciada para a exploração comercial deste produto denominada Sunlight-Direct e, pelo cronograma do projeto, em Março de 2007 teria sido concluída a produção de 50 unidades para instalação em diversos pontos do território americano como teste de campo, incluindo os participantes do consórcio. Cada unidade deste lote piloto vai custar cerca de US$ 24.000,00 incluindo todas as despesas de manutenção por um ano. A expectativa dos participantes do consórcio 19 é atingir a meta de custo na faixa de US$ 3.000,00 quando produzido em escala comercial. As informações foram obtidas nas páginas WEB da Oak Ridge Laboratories [30] e do portal da empresa Sunlight Direct [31]. 2.6 RESUMO DO CAPÍTULO O Quadro 1 procura resumir as principais características entre a iluminação natural e a iluminação elétrica fazendo um contraponto com a iluminação por fibra óptica. Através deste quadro pode-se fazer um comparativo das vantagens e desvantagens de cada uma delas. LUZ NATURAL ILUMINAÇÃO ELÉTRICA Não é disponível a noite Independe da hora O fluxo luminoso é afetado pelas condições atmosféricas (nuvens) O fluxo luminoso não é afetado O local a ser iluminado depende da disponibilidade de aberturas para o exterior Ponto de luz (janela) de difícil reposicionamento no ambiente Normalmente a luz não vem do teto Difícil direcionalidade Boa definição de cores A luz natural apresenta vantagens psico-biológicas As aberturas impactam na temperatura do ambiente Custo zero da energia ILUMINAÇÃO POR FIBRA ÓPTICA Não é disponível à noite O fluxo luminoso é afetado pelas condições atmosféricas (nuvens) Não depende Não depende Fácil reposicionamento do ponto de luz no ambiente Fácil reposicionamento do ponto de luz no ambiente Normalmente a luz vem do teto Normalmente a luz vem do teto Ampla gama de opções de lâmpadas e refletores para melhorar a direcionalidade Distorce cores O espectro da luz artificial é estreito e não proporciona o mesmo conforto Os pontos de iluminação apresentam geração de calor não desprezível A energia tem custo Facho direcional por natureza Boa definição de cores As mesmas vantagens da luz natural Excelente isolação térmica Custo zero para a energia QUADRO 1 - COMPARATIVO ENTRE A ILUMINAÇÃO NATURAL, ELÉTRICA E ATRAVÉS DA FIBRA ÓPTICA 20 3 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS Neste capítulo discorre-se sobre os principais elementos que compõe o coletor de luz solar, objeto deste trabalho, procurando, sempre que necessário, justificar as razões das escolhas realizadas. Há de se considerar também nestas escolhas, as limitações econômicas por se tratar de um projeto acadêmico. 3.1 LENTE CONCENTRADORA A opção utilizada para a construção deste dispositivo coletor de luz solar foi a de utilizar uma lente concentradora do tipo Fresnel. Lentes esféricas poderiam ser utilizadas para a montagem do coletor solar, mas a Lente de Fresnel apresenta a vantagem de ser mais leve. A lente de Fresnel baseia-se na segmentação de uma lente esférica, onde as angulações são mantidas em cada segmento, sem, no entanto, utilizar a mesma quantidade de material. Pela Figura 12 pode-se perceber o princípio da Lente de Fresnel e a comparação da diferença de cada uma delas. FIGURA 14 – PRINCÍPIO DA LENTE DE FRESNEL Em 1748, o Conde de Buffon (George Louis Leclerc, 1707 - 1788), escritor e naturalista francês, sugeriu que as lentes poderiam ter seu peso sensivelmente diminuído se a sua superfície esférica, em vez de contínua, fosse dividida num 21 conjunto de anéis circulares concêntricos sucessivos. Montados adequadamente, formariam uma lente esférica numa superfície plana. A idéia foi realizada pelo físico francês Augustin Fresnel (1788 - 1827), em 1820, na construção da lente de um farol que, por causa do seu diâmetro, seria muito grossa e pesada na forma convencional[32]. Para o protótipo foi aplicada uma lente de Fresnel de 280 mm x 280 mm, a mesma utilizada em retroprojetores de transparências, fabricado com material polimérico o que deixa seu peso ainda mais reduzido. O foco desta lente fica a cerca de 100 mm da superfície. Considerando que o sol produz um ilumina mento na faixa de 32.000 lx a 100000 lx na superfície da terra, e que a área da lente utilizada é de 0,0728 m2, pode-se calcular que a superfície da lente receba entre um iluminamento entre 2.509 lm e 7.840 lm. Se considerarmos que a superfície da lente, ao mesmo tempo que recebe um iluminamento por uma de suas faces e emite um fluxo luminoso na outra face, podemos dizer que a exitância luminosa da superfície oposta da lente é também varia entre 2.509 lm e 7.840 lm, fluxo este que será concentrado na extremidade da fibra óptica. 3.2 FIBRAS ÓPTICAS Fibra óptica é um filamento de vidro ou de material polimérico, suficientemente transparente, de forma que um feixe de luz incidente na sua extremidade possa ser guiado através deste filamento até a outra extremidade. Estes filamentos têm diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, indo desde diâmetros ínfimos, da ordem de micra até vários milímetros. A fibra possui no mínimo duas camadas: o núcleo e o revestimento, ou casca, definidos em materiais e espessuras de forma que apresentem índices de refração que possibilitem a reflexão interna da luz (Figura 15). Para que ocorra a máxima reflexão interna, o índice de refração do núcleo deve ser maior do que o índice de refração da casca. Materiais dielétricos distintos são utilizados para se obter esta diferença de refração, como sílica-plástico, diferentes tipos de pástico, ou ainda dopagens convenientes de materiais semicondutores (por exemplo, GeO2, P2O5, B2O3, etc.) na sílica (SiO2) [33]. 22 Núcleo – Polímero com alto grau de refração Raio de luz Revestimento – Polímero com alto índice de reflexão FIGURA 15 – PROPAGAÇÃO DA LUZ ATRAVÉS DA FIBRA ÓPTICA Existem três diferentes tipos de fibras ópticas quando se leva em consideração o modo de propagação da luz através da mesma. Pela teoria ondulatória, a luz é regida pelas equações de Maxwell e, desta forma, a fibra óptica pode ser considerada como uma guia de onda. Dessa maneira, a luz que percorre a fibra óptica não se propaga aleatoriamente, mas é canalizada em certos modos. Smiderle e Boff [34] definem o modo de propagação como uma onda com determinada distribuição de campo eletromagnético que satisfaz as equações de Maxwell e que transporta uma parcela individual (mas não igual) da energia luminosa total transmitida. Esses modos podem ser entendidos e representados como sendo os possíveis caminhos que a luz pode ter no interior do núcleo. Comercialmente, as fibras ópticas são fabricadas em duas categorias: Multímodo e Monomodo. A classificação multímodo ainda pode ser subdividida em duas: Multímodo Índice Degrau e Multímodo Índice Gradual. A aplicação das fibras ópticas em telecomunicações de impulso ao seu aperfeiçoamento e esta classificação está muito relacionada com a evolução e exigências desta aplicação em termos de atenuação e banda passante. Multimodo Índice Degrau: Foram as primeiras a surgir e constitui-se basicamente num único tipo de vidro no seu núcleo, apresentando assim um índice de refração constante em toda a região do núcleo. São fabricadas em vidro e em plástico permitindo grande flexibilidade e baixos custos, tanto da própria fibra quanto das conexões. Comparadas com as fibras ópticas desenvolvidas posteriormente visando a aplicação em telecomunicações, este modo apresenta limitações na aplicação na taxas de transmissão e com relação as distâncias atingidas. 23 FIGURA 16 – CARACTERÍSTICA DA FIBRA MULTIMODO ÍNDICE DEGRAU Multímodo Índice Gradual: Como evolução da fibra multimodo para aplicação em telecomunicações, o núcleo da fibra multimodo de índice gradual apresenta um índice de refração que varia gradualmente em relação ao centro. Isto permite diminuir as diferenças de tempos de propagação da luz no núcleo, devido aos vários caminhos possíveis que a luz pode tomar no interior da fibra. Esta característica melhora significativamente a banda passante em sistemas de transmissão de dados. FIGURA 17 – CARACTERÍSTICA DA FIBRA MULTIMODO ÍNDICE GRADUAL Fibra Monomodo: Esta fibra, ao contrário das anteriores, e construída de tal forma que apenas o modo fundamental de distribuição eletromagnética (raio axial) é guiado, evitando assim os vários caminhos de propagação da luz dentro do núcleo, conseqüentemente diminuindo a dispersão do impulso luminoso. Para que isso ocorra, é necessário que o diâmetro do núcleo seja poucas vezes maior que o comprimento de onda da luz utilizado para a transmissão. As dimensões típicas são 2 a 10 µm para o núcleo e 80 a 125 µm para a casca, dimensões muito pequenas, que dificultam, portanto, a conectividade. Caracteriza- 24 se, entretanto, por uma capacidade de transmissão bastante superior às fibras do tipo multimodo. Os materiais utilizados para a sua fabricação são sílica e sílica dopada [30]. Tendo em vista sua aplicação no campo das telecomunicações, a fibra monomodo é fabricada para comprimentos de onda na faixa de 1300 a 1500 nm, o que impede sua utilização na faixa da luz visível. A partir desta classificação, pode-se concluir que as fibras utilizadas em aplicações de iluminação são as de multimodo índice degrau, tanto pelas suas dimensões maiores quanto pela possibilidade da sua fabricação em plástico. A boa flexibilidade e facilidade nas conexões, aliadas a um baixo custo, fazem da fibra plástica a melhor alternativa hoje disponível para canalização da luz no expectro visível. Fibras plásticas são fabricadas de Polimetilmetacrilato - PMMA (Polymethylmethacrylate) e, como ponto negativo, não suportam temperaturas acima de 135ºC [35]. A vida útil destes cabos é de cerca de 15 anos [36]. Os cabos de fibra multimodo podem ainda ser maciças ou agrupadas em feixes (cabos multifibras) para aumentar a área de captação da luz. O fato de que a fibra óptica plástica não transmite bem os comprimentos de onda fora da faixa do espectro visível, atenuando os comprimentos de onda do infravermelho e do ultravioleta, é benéfico, uma vez que permite a canalização com luz natural sem o inconveniente da elevação da temperatura no ambiente. A literatura médica também alerta para os efeitos dos raios ultravioletas na pele [37]. No protótipo deste trabalho foi utilizada um cabo de 4 m de comprimento tipo endlight encapado modelo FOC.080 fabricado pela Fasa Fibra Ótica, cujo diâmetro útil é de 80 mm contendo 75 fibras de 0,75 mm de diâmetro. 3.3 COMPONENTES ELETRÔNICOS O diagrama de blocos do sistema eletrônico está apresentado na Figura 14, onde se pode observar a divisão dos circuitos em duas placas: a placa de controle e a placa driver dos motores. Os sensores são ligados na placa de controle que tem como função processar os sinais de cada um destes sensores fazendo inicialmente a conversão do sinal analógico da tensão para um valor digital. Estes valores são processados no 25 microprocessador em função da comparação entre os níveis entre si, tomando-se os pares NORTE-SUL e LESTE-OESTE. A placa de driver tem a função de fornecer aos motores os níveis adequados de tensão e corrente para sua movimentação. FONTE REDE 9V SENSORES EXTERNOS NORTE GND OESTE SUL M1 Vdc (5V) LESTE NORTE SENSORES INTERNOS Vdc Motor (9V) SUL PLACA DE CONTROLE Enable A Oeste Leste PLACA DRIVER DOS MOTORES Enable B LESTE Norte OESTE Sul MOTOR MOVIMENTO LONGITUDE M2 MOTOR MOVIMENTO LATITUDE Fim-de-curso Norte Fim-de-curso Sul Fim-de-curso Leste Fim-de-curso Oeste FIGURA 18 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO SISTEMA ELETRÔNICO No mecanismo foram instalados quatro interruptores de fim-de-curso para interromper a movimentação a partir de certo ponto próximo ao limite de segurança de operação. Cada uma destas micro-chaves fica posicionada para serem ativadas quando a extremidades das respectivas rodas dentadas estiver próximo ao seu curso máximo. Esta segurança protege os motores do aquecimento excessivo e o mecanismo de sobrecargas que poderiam danificá-los definitivamente. Uma descrição mais detalhada dos principais componentes eletrônicos que foram utilizados neste trabalho é apresentada a seguir: 26 3.3.1 Sensores ópticos O sensor de luminosidade que apresentou melhor sensibilidade foi o tipo fotorresistor ou mais comumente denominado LDR – Light Dependent Resistor. São construídos a partir de sulfeto de cádmio ou sulfeto de chumbo. Sua resistência varia com a intensidade de luz incidente, obedecendo à equação R = C.k1.k2, onde L é a luminosidade em lx, k1 e k2 são constantes dependentes do processo de fabricação e do material utilizado. Quando o fóton tem energia suficiente para quebrar a ligação elétron-lacuna (0,2 a 3 eV - comprimento de onda de 400 a 600 nm), um elétron torna-se livre, podendo fluir pelo circuito. A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o número destes, o que faz aumentar a condutividade [38]. 3.3.2 Motores de corrente contínua Neste protótipo foram utilizados dois motores de corrente contínua modelo MR102-35ML-Z fabricados pela Action Technology. Este modelo já vem com um redutor incorporado e opera na faixa de 6 a 24 Vcc. Na sua tensão nominal de 12 V, a velocidade angular é 36 rpm. O motor de corrente contínua é bastante adequado para controle de velocidade, uma vez que este controle pode ser facilmente implementado pela variação da tensão de alimentação [39]. 3.3.3 L298 - Dual full-bridge driver O L298 é um circuito integrado de 15 pinos com encapsula mento tipo SO20 próprio para acionamento de cargas indutivas como reles, solenóides, motores de corrente contínua e motores de passo. É constituído de dois circuitos tipo ponte completa independentes entre si. Aceita tensão de alimentação até 46 V e pode drenar uma corrente até 4 A. Possui ainda proteção interna contra sobretemperaturas desligando automaticamente a saída, caso a temperatura ultrapasse o limite crítico. Para o comando, o L298 aceita níveis TTL, ou seja, o controle é feito com tensões digitais de 5 V com boa imunidade de ruídos (1,5V). No caso de acionamento de motores de corrente contínua é possível, com apenas um circuito integrado, acionar dois motores independentemente. A Figura 15 apresenta o diagrama interno deste componente [40]. 27 FIGURA 19 – ESQUEMA SIMPLIFICADO DO CIRCUITO INTEGRADO L298 Na Figura 16 e Figura 17 é apresentado o princípio de operação deste circuito em ponte fazendo a reversão do motor. Considere-se inicialmente a entrada de HABILITAÇÃO sempre ativada (nível 1) para ambos os casos. Com este pino desabilitado (nível 0) o motor pára, pois em nenhum sentido vai haver circulação de corrente. Com o pino IN 1 ativado (nível 1) e a entrada IN 2 desativada (nível 0) o motor vai girar em um sentido. Invertendo-se os níveis destas entradas entre si, o motor passa a girar em sentido contrário. +V IN 1 IN 2 HAB “1” M1 “0” “1” FIGURA 20 – FUNCIONAMENTO BÁSICO DO CIRCUITO PONTE – MOTOR GIRANDO EM UM DOS SENTIDOS 28 +V IN 1 IN 2 HAB “0” M1 “1” “1” FIGURA 21 – FUNCIONAMENTO BÁSICO DO CIRCUITO PONTE – MOTOR GIRANDO NO SENTIDO REVERSO 3.3.4 Microprocessador AduC812 A placa de controle possui como seu principal elemento o microprocessador AduC812 fabricado pela Analog Devices. Opera com clock na freqüência de 12 MHz, este componente é uma das evoluções do muito conhecido microprocessador 8051 e mantém com este a compatibilidade com o conjunto de instruções de programação. A principal diferença com o antigo processador é a incorporação, no mesmo chip, de 8 entradas analógicas com resolução de 12 bits, além de ter recebido outras características inexistentes no 8051. A Figura 18 mostra o diagrama de blocos funcional deste microprocessador [41]. FIGURA 22 – DIAGRAMA DE BLOCOS FUNCIONAL DO MICROPROCESSADOR ADUC812 29 3.3.5 ADM809 Microprocessor supervisory circuit O circuito ADM809 é um circuito integrado com apenas três terminais – dois para a alimentação (Vcc e GND) e uma saída denominada RESET (reset barrado) que vai interligado ao pino de reset do microprocessador AduC812. Tem como função supervisionar a alimentação do microprocessador quando o circuito é ligado e desligado. Cada vez que o circuito é energizado provê um pulso de reset do microprocessador durante um período de 240 ms, tempo suficiente para garantir a estabilidade da fonte, evitando assim o início do processamento sem as condições mínimas de estabilidade. Na desenergização, provê um pulso de reset tão logo a tensão de alimentação passe para níveis inferiores à tensão de referência. Desta forma, na ocorrência de espúrios na linha de alimentação, este circuito não permite que o microprocessador opere com tensões inadequadas, provocando eventuais erros no processamento. Tem baixo consumo, em torno de 17 A. A Figura 19 mostra a operação do componente em diversas situações de alimentação (Vcc) [42. VCC RESET VREF VREF t1 VREF VREF t1 t1 = RESET TIM E = 240ms TYP VREF = RESET VOLTAGE THRESHOLD FIGURA 23 – EXEMPLOS DE OPERAÇÃO DO ADM809 3.3.6 78L05 Regulador de tensão Como a Placa de Controle é internamente alimentada por uma tensão de 5 V, um dispositivo de três terminais faz o rebaixamento da tensão de 9 V proveniente da fonte de alimentação. Este componente denominado 78L05 é um regulador de tensão, mantendo assim a estabilidade necessária em toda a linha de alimentação. Consegue fornecer uma corrente de até 100 mA e apresenta ainda função de proteção contra curto-circuito na saída e sobretemperatura [43]. 30 4 PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO 4.1 MECÂNICA Para manter o foco da lente sobre a extremidade da fibra óptica foi necessário desenvolver um mecanismo de movimentação da lente tanto para movimentação na direção leste-oeste - considerando-se a movimentação aparente do sol na trajetória diária, quanto na movimentação na direção norte-sul, quando a lente precisa encontrar a melhor perpendicularidade em relação ao movimento do sol durante a mudança das estações do ano. Estes movimentos são baseados em dois motores; um deles para movimentar a lente buscando acompanhar a trajetória aparente do sol durante o dia; o outro no acompanhamento do movimento do sol na trajetória das estações do ano. A Figura 20 apresenta um desenho em perspectiva do conjunto que foi montado como protótipo para o desenvolvimento deste trabalho. A partir deste desenho pode-se fazer uma descrição mais detalhada das diversas partes que formam o conjunto. Por esta figura pode-se observar que o quadro com a Lente de Fresnel está mecanicamente acoplada diretamente ao conjunto motor-redutor que faz a movimentação no sentido longitudinal. Este conjunto, por sua vez, fica acoplado mecanicamente ao conjunto motor-redutor do movimento no sentido da latitude. Uma haste de sustentação interligada à base do mecanismo sustenta todo o conjunto. Esta base possui furação para fixação no local onde o coletor solar for utilizado 31 FIGURA 24 – DESENHO EM PERSPECTIVA DO PROTÓTIPO MONTADO A Lente de Fresnel foi montada em um quadro construído com cantoneiras e onde também são fixadas três hastes que vão suportar o cabeçote onde está conectada a extremidade da fibra óptica. Como referência da posição do sol num determinado instante, foram instalados oito sensores fotoelétricos assim distribuídos em relação a lente concentradora: dois sensores posicionados no perímetro externo da lente na direção leste-oeste, cada um deles em lados opostos, ou seja, um deles voltado para o leste e o outro voltado ao oeste. Dois sensores posicionados no perímetro externo da lente na direção 32 norte-sul, cada um deles em lados opostos, ou seja, um deles voltado para o norte e o outro voltado para o sul. Estes quatro sensores são denominados sensores externos e têm como função uma primeira aproximação do movimento do coletor solar. No cabeçote, onde fica fixada a extremidade da fibra óptica que vai receber os raios luminosos, estão instalados outros quatro sensores obedecendo a mesma lógica de posicionamento leste-oeste e norte-sul e denominados sensores internos. Os sensores externos terão a função de fornecer um sinal diferencial para uma primeira aproximação do foco da lente no cabeçote onde fica a extremidade da fibra óptica. Um circuito eletrônico detecta a diferença de luminosidade entre o par de dois sensores – leste-oeste e norte-sul e movimenta o motor que faz o giro na direção correspondente. Quando o foco se aproxima do cabeçote, os dois sensores internos são ativados, ao mesmo tempo em que os externos são desativados, permitindo assim uma aproximação mais precisa do foco. Para um adequado controle da movimentação foi desenvolvido um circuito eletrônico para detecção dos níveis de luminosidade e a movimentação com velocidade variável para a obtenção do foco. À medida que o foco da lente se aproxima da extremidade da fibra, a velocidade do motor é reduzida até estacionar exatamente sobre o foco. As Figuras 21 e 22 apresentam uma simulação em desenho do movimento do mecanismo. FIGURA 25 – SIMULAÇÃO DO MOVIMENTO DA LENTE ENTRE O AMANHECER E O ANOITECER (LONGITUDE) 33 FIGURA 26 – SIMULAÇÃO DO MOVIMENTO DA LENTE COM RELAÇÃO ÀS ESTAÇÕES DO ANO (LATITUDE) 4.1.1 Projeto dos mecanismos de redução Como já foi apresentado anteriormente, o motor selecionado foi o tipo MR10235ML-Z fabricados pela Action Technology que já vem com redução incorporada e gira a uma velocidade de 36 rpm quando em alimentação nominal segundo a folha de características do fabricante. O modelo escolhido foi devido ao fato de apresentar a menor velocidade nominal na saída do redutor incorporado ao motor. Mesmo assim será necessário um mecanismo redutor adicional conforme comprovado a seguir. Considerado um período de aproveitamento da luz solar entre 7 horas (hmin) da manhã até às 17 horas (hmax), o ângulo do movimento diário da lente (fh) perfaz um período de 10 horas. A faixa do ângulo (f) pode ser calculada como: f fh .2 onde fh hmax hmin fh 17 7 = 10 24 (1) 20 f 2,618rd f 1500 24 (2) f A velocidade angular do mecanismo diário (d) é de: d o f 150 wd 15 0,25o min 0,7.10 3 rpm h 10 fh (3) Como já foi apresentado anteriormente, o motor já vem com uma redução incorporada. O eixo do conjunto gira a uma velocidade de 36 rpm quando o motor é 34 alimentado com tensão nominal. Isto representa 9000º/min. A partir desta velocidade e da velocidade angular diária, o mecanismo de redução adicional deveria ter uma relação teórica de: rel 9000 36000 0,25 (4) Esta relação pressupõe que o mecanismo, na sua velocidade nominal, estaria perfeitamente sincronizado com o movimento do sol durante toda a trajetória diária. Isto exigiria uma mecânica com precisão bastante acurada e a velocidade do motor teria que ser muito estável, mesmo com variações de tensão, temperatura e outros fatores físicos, como os atritos e esforços mecânicos. A solução para uma boa rastreabilidade do sol é incorporar sensores e circuitos eletrônicos que ajustem a velocidade do motor de forma a não depender de uma velocidade fixa do mecanismo. Como o motor de corrente contínua permite diminuir a velocidade, diminuindo-se a tensão de alimentação, é preferível operar com uma relação de redução mecânica menor, e deixar por conta do circuito eletrônico e dos sensores o ajuste fino da velocidade, mantendo-se assim o sincronismo com o movimento do sol. Como já foi mencionado, o motor de corrente contínua com imã permanente é perfeitamente adequado. Uma primeira hipótese, antes de partir para a implementação de um redutor adicional, seria deixar o controle da velocidade do motor-redutor totalmente para o circuito eletrônico, fazendo com que o eixo do motor fosse acoplado diretamente ao conjunto da lente. Esta hipótese teria que responder à duas premissas: 1) que o torque do eixo do motor (neste caso, motor redutor acoplado) seria suficiente para a movimentação, e 2) que a resolução do controle PWM , ou seja, a aplicação de um único pulso do PWM (descrição mais adiante) não resultaria numa velocidade acima da velocidade angular diária d (3). A velocidade mínima do motor é calculada com base na mínima tensão que pode ser aplicada ao motor sob o controle PWM, ou seja, a tensão aplicada ao motor considerando-se o PWM entregando apenas um pulso por ciclo. Resolução do controle: (Res) = 1024 para um processador com saída analógica de resolução de 10 bits(). () Quando da implementação do circuito eletrônico foi selecionado outro microprocessador e outra técnica de geração do PWM permitindo uma resolução maior (4096 bits), mas o mecanismo redutor já havia sido confeccionado. 35 Velocidade angular do motor com redutor incorporado: NMOT = 36 rpm = 3,8 rad/s; Tensão nominal do motor: VNMOT = 12 V; Velocidade angular do mecanismo diário: d = 0,7.10-3 rpm (já calculado anteriormente em (3); Tensão de pico do PWM: VPWM = 4,75 V (alimentação em 5V e descontando-se as perdas de comutação); Calculando-se a mínima tensão aplicada, isto é, 1/1024 da tensão disponível, obtém-se a sensibilidade da tensão de controle do motor SV MOT (5) e, consequentemente, a rotação mínima sustentável MIN (6) (). SVMOT MIN SVMOT N MOT VN MOT VPWM 4,75 4,6mV Re s 1024 4,6.10 3 3,8 1,457.10 3 rad / s 12 (5) (6) MIN 0,014rpm Pode-se constatar que esta velocidade angular mínima do motor-redutor ainda é maior do que a velocidade diária do mecanismo (d). Foi, então, definida a redução adicional como uma relação entre a rotação mínima sustentável MIN e a velocidade diária do mecanismo d, obtendo-se assim a relação de transmissão teórica para o movimento diário (Rtd): Rt d MIN 14.10 3 20 d 0,7.10 3 (7) Foi estabelecida a construção das engrenagens na modalidade coroa-pinhão, com dentes retos e com um módulo (md) de 0,5 mm e 12 dentes no pinhão (zp p = 12). Cálculo do diâmetro primitivo do pinhão: p p md .zp p 05.12 6mm (8) Número de dentes da coroa: zpc zp p .Rt d 12.20 240 Diâmetro primitivo da coroa: () Neste cálculo não foi considerado o atrito. (9) 36 pc zpc .md 240.0,5 120mm (10) Para o cálculo da relação de redução para o mecanismo de movimentação no sentido da latitude (Rta) foi considerado que esta redução é multiplicada por 365 que corresponde a um ciclo do movimento solar nesta trajetória (um ano). Rt a Rt d .365 20.365 7240 (11) Como esta relação exigiria um mecanismo de redução bastante grande, optouse por uma solução de rosca-sem-fim utilizando uma coroa com o mesmo numero de dentes do mecanismo anteriormente apresentado e pressupondo que, após o ajuste da lente no foco sobre a extremidade da fibra, o motor pare até um próximo deslocamento significativo. Na solução rosca-sem-fim cada volta da rosca provoca o deslocamento de um dente na coroa(*). Como foi utilizada a mesma coroa do mecanismo de longitude (240 dentes), a relação de redução, neste caso, é de 240:1. 4.1.2 Construção do mecanismo Como se pode observar na Figura 23, o motor da movimentação da latitude foi fixado na haste de sustentação do mecanismo. O eixo da coroa do redutor tipo rosca-sem-fim está apoiado nesta mesma haste de sustentação. Sobre este eixo do movimento norte-sul, foi montado todo o mecanismo de movimentação no sentido longitudinal, ou seja, este segundo mecanismo não fica solidário com a haste de sustentação do mecanismo. O movimento no sentido da latitude carrega junto o mecanismo no sentido da longitude, e com isso obtém-se os graus de liberdade necessários à todos os movimentos. A Figura 24 mostra a montagem de duas chaves de fim-de-curso no mecanismo de movimentação no sentido da latitude (*) Considerando rosca-sem-fim com uma entrada 37 REDUÇÃO TIPO COROA-PINHÃO MECANISMO LONGITUDE MOTORES COM REDUTOR INCORPORADO REDUÇÃO TIPO ROSCA-SEMFIM - MECANISMO LATITUDE FIGURA 27 – DETALHE DOS MECANISMOS DE REDUÇÃO PARA MOVIMENTAÇÃO DA LENTE BATENTES MICRO-CHAVES FIGURA 28 – DETALHE DA MONTAGEM DAS MICROCHAVES DE FIM-DE-CURSO 4.2 ELETRÔNICA 4.2.1 Descrição geral dos circuitos e da malha de controle A função do circuito eletrônico é detectar a posição relativa do sol e enviar um comando para a movimentação dos motores com o objetivo de posicionar o foco da lente na extremidade da fibra óptica. Como já foi mencionado anteriormente, a implementação do circuito se deu em duas placas – placa de controle (Figura 25) e placa driver dos motores (Figura 26). 38 O principal componente da placa de controle é o microprocessador ADuC812. Este componente recebe os níveis dos sensores proporcionais à luminosidade, processa estas informações e entrega um sinal para a placa driver dos motores com a direção de giro e tensão proporcional à velocidade. Cada LDR faz parte de um divisor resistivo e o nível de tensão deste divisor é aplicada diretamente na respectiva entrada analógica do ADuC812. Internamente este microprocessador já incorpora um conversor Analógico-Digital permitindo ao software o processamento dos níveis dos sinais dos LDR‟s como grandezas numéricas digitais. Algumas entradas digitais deste mesmo microprocessador foram utilizadas para os sensores de fim-de-curso e para botões de comando manual da movimentação do mecanismo quando se faz necessário algum ajuste ou calibração. A interligação com a placa driver dos motores é feita através dos conectores J1, J2 e J3. O circuito integrado L298, principal componente desta placa, incorpora dentro dele dois circuitos em ponte completa. Sendo assim, com apenas um circuito integrado é possível o controle dos dois motores – sentido norte-sul e sentido lesteoeste. RESET MANUAL NORTE R13 GND Vcc SUL R14 RESET ADM809 R9 LESTE R15 P2.0 P2.1 P2.3 P2.4 PSEN XTAL2 (OUT) Q1 R10 LIB. CALIB. P3.2/INT 0 OESTE DVDD LIMPA MEMORIA (*) C24 R16 R25 C23 XTAL1 (IN) LESTE INT LDR2 RESET OESTE EXT A/D 0 LDR1 LESTE EXT LDR3 FIGURA 29 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PLACA DE CONTROLE C22 C21 C20 OESTE INT C7 RXD C11 TXD C2 C1 SUL INT LDR5 C12 SUL EXT LDR6 C13 R6 ADuC812 R5 GND R2OUT T2IN C1+ C1C2+ C2- AVDD VDD VCC R2IN MAX232 VEE C3 DVDD RxD SERIAL PORT TxD P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 GRUPO DE SENSORES LATITUDE C6 R8 NORTE INT LDR8 T2OUT C16 C15 NORTE EXT LDR7 C14 R7 R20 C5 R17 R18 R19 9V EXT. R24 R23 R21 BAT 9V D3 D2 F.C. NORTE F.C. SUL F.C. LESTE F.C. OESTE R22 FIGURA 25 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PLACA DE CONTROLE DVDD R4 LDR4 A/D 2 GRUPO DE SENSORES LONGITUDE A/D 1 DVDD1 DVDD2 DVDD3 C8 A/D 3 DGND1 DGND2 DGND3 DGND4 R3 A/D 4 C9 A/D 5 R2 A/D 6 AVDD1 AVDD2 C10 A/D 7 AGND1 AGND2 AGND3 R1 DVDD C17 Vi DVDD GND Vo 78L05 C18 D1 R11 DVDD L1 ENB R9 3 2 1 J1 3 2 1 J3 3 2 1 J2 C19 AVDD 5V GND Vdc MOT SUL NORTE ENB LESTE OESTE 39 1 2 3 J3 1 2 3 J2 ENB NORTE SUL ENB OESTE LESTE VDC MOTOR 1 GND 2 5V 3 J1 FIGURA 30 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PLACA DRIVER DOS MOTORES D10 D9 GND IsenB IsenA Out4 IN4 Out3 Out1 Out2 IN3 EN B Vs IN2 EN A Vss IN1 L298N R10 R9 R8 R7 FIGURA 26 - DIAGRAMA ELÉTRICO DA PLACA DRIVER DOS MOTORES R6 R5 R4 R3 R2 R1 C1 C2 D7 D5 D3 D1 D8 D6 D4 D2 C4 C3 M2 M1 NORTE-SUL LESTE-OESTE 40 41 A Figura 27 apresenta o diagrama geral da malha de controle onde é possível se ter uma visão global do sistema. Esta malha de controle foi implantada no software do ADuC812. No caso foi representada a malha de controle do movimento leste-oeste, mas este mesmo diagrama se aplica ao movimento norte-sul. Fazendo-se uma análise desta representação, pode-se verificar que, após a conversão dos níveis dos sensores, é feita uma equalização das sensibilidades dos sensores para um mesmo nível de intensidade luminosa com o somador na saída de dois dos sinais digitais. Esta constante é previamente determinada através de um processo de calibração. Um desnível de tensão, entre os sensores externos, menor que V rgi faz com que a seleção de leitura passe para os sensores internos onde se pode obter melhor sensibilidade na determinação do foco da lente sobre a extremidade da fibra óptica. A diferença de valores entre os sensores de mesmo par de LDR‟‟s (sinal X e Y), que significa o erro de posicionamento da lente em relação ao sol, será aplicado no controle do sinal PWM para a movimentação dos motores. Antes do controle de geração do sinal de PWM, é inserido um ganho e somado um valor de offset. O ganho serve para amplificar o erro tornando o sistema mais ou menos sensível ao erro detectado. O valor de offset tem a função de compensar os atritos inerciais mecânicos. A própria movimentação do conjunto realimenta o sistema, pois os sensores estão fixados solidariamente ao mecanismo. SENSORES INTERNOS SENSORES EXTERNOS LESTE OESTE LESTE OESTE ADC ADC ADC ADC FIGURA 31 – DIAGRAMA GERAL DA MALHA DE CONTROLE Y X Erro Ganho Offset Velocid. FIGURA 27 - DIAGRAMA GERAL DA MALHA DE CONTROLE Calibração Calibração <Vgri PWM M Mecanismo de Redução 42 43 4.2.2 Sensores de rastreamento da posição do sol Como já apresentado nos diagramas esquemáticos e no diagrama da malha de controle, foram instalados dois conjuntos de sensores – internos e externos para cada movimento do mecanismo com o objetivo de fazer o rastreamento da posição relativa do sol. A premissa foi colocar quatro LDR‟s instalados próximos à extremidade da fibra óptica. Como a fibra seria fixada em um cabeçote apropriado, foram previstos quatro orifícios neste cabeçote onde seriam instalados os quatro sensores, sendo dois para detecção do movimento no sentido da longitude e dois para detecção do movimento no sentido da latitude. Este conjunto foi denominado de sensores internos. Foram também instalados mais quatro LDRs nas bordas do quadro que sustenta a lente de Fresnel com a função de fazer uma primeira detecção da posição do sol e foram montados em suporte comerciais de leds. Este conjunto foi denominado de sensores externos. Percebe-se, pela Figura 28, que esta montagem é presa no quadro da lente apontando para um ângulo de cerca de 45º para fora. FIGURA 32 – DETALHE DA MONTAGEM DOS SENSORES EXTERNOS Do ponto de vista elétrico, o objetivo é provocar o rotacionamento da lente até que ambos os sensores (numa certa direção – leste-oeste ou norte-sul) estejam recebendo a mesma quantidade de luz. Desta forma, pressupõe-se que esteja havendo perpendicularidade da lente em relação ao raios de sol. O mesmo pressuposto serve para os sensores internos. Quando o nível de tensão dos quatro sensores externos estiver equilibrado (diferença entre eles menor que V gri), o circuito eletrônico passa a monitorar os sensores próximos à extremidade da fibra. Desta forma, obteve-se um ajuste mais preciso do foco. 44 4.2.3 Interface serial para transferência do programa e monitoração do microprocessador Os microprocessadores, de maneira geral, possuem interface serial disponível para comunicação com computadores e outros dispositivos. No entanto, como a alimentação destes componentes é feita em níveis de 3 a 5 V, não ficam compatíveis com o padrão RS-232 (padrão EIA/TIA-232E ou o padrão V.28/V.24) cujas tensões normatizadas são de 12 V, dando assim maior imunidade à ruídos. Como em muitos casos não se tem disponível estas tensões, um recurso é a utilização de um circuito integrado denominado MAX232 fabricado pela Maxim [44] que incorpora internamente os circuitos para gerar estas tensões. Assim, a conversão dos níveis de tensão das linhas de transmissão (TxD) e de recepção (RxD) são feitas a partir da tensão de 5 V disponível no circuito geral. Esta interface é utilizada, na Placa de Controle, para carregamento do programa compilado e a possibilidade de monitorar em tempo real a execução do software para depurar o programa (debug). A Figura 29 apresenta o circuito elétrico desta interface. FIGURA 33 – CIRCUITO ELÉTRICO DA INTERFACE SERIAL 4.2.4 Fonte de alimentação Como se pode observar pela Figura 30, o esquema elétrico da Fonte de Alimentação não apresenta nenhuma dificuldade no seu entendimento uma vez que 45 é baseada no 78L05, componente largamente usado neste tipo de aplicação. A sua entrada recebe tensão em 9 V, já retificada, e esta tensão é aplicada ao 78L05 via o diodo D2. Antes de passar por D2, esta tensão de 9V também é interligada ao pino 1 do conector J1 para alimentação da Placa Driver. Uma bateria de 9 V ligada ao 78L05 via D3 permite que o circuito de controle continue a operar na falta de energia da rede elétrica. Os componentes L1, R12 e C19 formam um filtro entre a linha que alimenta os circuitos digitais (DVDD) e a linha que alimenta os circuitos analógicos (AVDD). J1 Vdc MOT GND 5V D2 9V EXT. DVDD 1N4001 D3 1 Vi 1N4001 BAT 9V 78L05 Vo GND C17 10 F 2 C18 R11 560 10 F D1 3 AVDD L1 3 1 2 R9 C19 10 F FIGURA 34 – FONTE DE ALIMENTAÇÃO DA PLACA DE CONTROLE 4.2.5 Comandos de movimentação manual e calibração Com foi explanado em 4.2.2, há necessidade de compatibilizar os níveis de tensão entre os diversos sensores LDR‟s quando estão recebendo o mesmo nível de iluminação. Esta operação é realizada através de comandos manuais para movimentação do mecanismo da lente. Inicialmente aperta-se o botão de Inicia Calibração fazendo com que o programa entre na rotina de calibração e liberando a funcionalidade dos botões de movimento manual. Após a movimentação dos motores para que a extremidade da fibra óptica esteja no foco da lente, pressiona-se simultaneamente os botões de movimento norte e sul ficando gravadas as referências e o programa sai da rotina de calibração. Pelo esquema elétrico (Figura 25) vê-se que estes botões estão ligados nos ports 2.0, 2.1, 2.2, 2,3, 2.4 e P3.2. 4.2.6 Software A Figura 32 apresenta o fluxograma do programa principal que roda no microprocessador ADuC812. Este programa chama outras sub-rotinas que executam 46 tarefas específicas. Esta divisão em sub-rotinas visa uma melhor organização do programa. Logo depois de chamar a sub-rotina de configurações iniciais, o programa lê o valor do contador do temporizador que gera o ciclo do Timer 2. Este contador varia de 0 a 4.096 e foi denominado “rampa‟ e sempre que o ciclo do PWM começa (contagem = 0), os motores são energizados. A rotina de geração da variável RAMPA e o acionamento dos motores com controle PWM será descrita no item 4.2.7. A leitura dos valores dos sensores fotoelétricos é feita a cada 100 ms quando também é feita a seleção do grupo de sensores que vão atuar - internos ou externos. Finalmente, um temporizador cíclico aciona a porta serial para enviar dados previamente configurados. Esta facilidade foi importante durante a realização dos testes para extrair várias informações do funcionamento interno e valores armazenados durante o processamento do programa. 47 Início Chama sub-rotina de configurações Inicias (Apêndice D2) Rampa = contador do Timer 2 Acionamento do Motor 1 – sentido Norte-Sul Acionamento do Motor 2 - sentido Leste-Oeste Se Flag100ms = TRUE N S Flag100ms = FALSE Lê dados do A/D Rotina Seleção do Grupo de Sensores Timer10s = Timer10s + 1 Se Timer10s=100 N S Envia dados para serial Timer10seg = 0 FIGURA 35 – FLUXOGRAMA DA ROTINA PRINCIPAL DO SOFTWARE 48 4.2.7 Geração dos pulsos PWM para o controle da velocidade dos motores A geração do sinal de PWM é feita pelo microprocessador AduC812 através de uma rotina específica no programa aplicativo, tendo-se as seguintes bases: Valor máximo do erro entre os dois sensores (variável ERRO): 4.096 (que é a própria resolução do contador do módulo PWM, supondo-se que um sensor esteja recebendo sinal máximo e o outro zero); Através de divisões internas, o clock de 11,0592 MHz do cristal, foi - obtida uma freqüência de 921.600 Hz que corresponde a um período de 1,085s. Com esta base de tempo criou-se uma variável RAMPA que conta 4.096, sendo que, ao final do 4.095º pulso, a contagem é zerada (RAMPA = 0) e a contagem reiniciada; Cada vez que o valor de RAMPA é reiniciado, o pulso PWM inicia ligado - (ON) e permanece até que atinja o valor do ERRO(). A Figura 31 mostra na escala de tempo este processo de geração do sinal considerando diferentes desníveis de luminosidade entre o par de sensores. Valor de RAMPA 4096 ERRO 3 ERRO 2 ERRO 1 Valor de RAMPA Valor de RAMPA Valor de RAMPA 4096 4096 4096 ERRO3 ERRO3 ERRO3 ERRO2 ERRO2 ERRO2 ERRO1 ERRO1 ERRO1 FIGURA 36 – GERAÇÃO DO SINAL PWM Fisicamente, a geração do PWM no microprocessador é disponibilizada através das seguintes saídas (ports): P0.4 (pino 52) - Ativação do motor movimento latitude sentido sul Na realidade, o valor ERRO ainda é multiplicado pelo GANHO e somado o OFFSET 49 P0.5 (pino 53) - Ativação do motor movimento latitude sentido norte P0.6 (pino 54) – Ativação do motor movimento longitude sentido leste P0.7 (pino 55) – Ativação do motor movimento longitude sentido oeste Estes pinos estão diretamente ligados aos conectores CN1 e CN2 da Placa de Controle. Estes conectores permitem a interligação com a Placa Driver dos Motores. 50 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Após a fabricação das peças mecânicas, montagem do circuito eletrônico e montagem do conjunto foram iniciados os testes e os ensaios. Uma fotografia do protótipo montado pode ser vista na Figura 33. FIGURA 37 – PROTÓTIPO DO COLETOR SOLAR MONTADO Numa primeira fase foi utilizada uma fibra óptica de quartzo com 6 mm de diâmetro e 1 m de comprimento, cedida temporariamente pelo Laboratório de Metrologia da Universidade Federal de Santa Catarina. Como se tratava de material importado e de aplicação científica, seu custo não era compatível com os propósitos do presente projeto, ou seja, a montagem de um modelo reduzido que tivesse perspectiva de viabilidade econômica. O trabalho passou então a focar a aplicação de fibra plástica de PMMA. Foi adquirido um cabo de fibra óptica plástica, tipo endlight, encapado, modelo FOC.080, com diâmetro útil de 8 mm, contendo 75 fibras de PMMA de 0,75 mm de diâmetro cada. O comprimento total do cabo era de 4 m e o fabricante fornece com o acabamento nas extremidades, conforme pode ser visto na Figura 34. Este cabo é 51 fabricado pela Fasa Fibra Ótica(*) que comercializa para aplicações em iluminação decorativa e projetos especiais de iluminação como museus e obras de arte. FIGURA 38 – DETALHE DO ACABAMENTO DA EXTREMIDADE DA FIBRA ÓPTICA PLÁSTICA 5.1 ENSAIOS COM A FIBRA PLÁSTICA Como não havia dados técnicos das perdas deste cabo, e não havendo normas técnicas disponíveis para estes levantamento, foi desenvolvido um procedimento junto com o pessoal técnico do Laboratório de Luminotécnica do Lactec(**) para medição destas perdas. Pode-se dividir as perdas em três categorias: perdas de entrada, quando ocorre a mudança do meio de propagação da luz, perdas de transmissão ao longo da trajetória do cabo, e as perdas de saída quando novamente muda o meio de propagação [45]. Como o laboratório não dispunha de instrumentos, nem metodologia para uma medição destas perdas individualizadas, partiu-se para uma medição da perda total. A idéia foi utilizar uma lâmpada como fonte de luz e um luxímetro na outra extremidade para medir o iluminamento, aplicando-se a seguinte metodologia: 1. Medir o iluminamento, aplicando-se uma fonte de luz diretamente no sensor do instrumento, numa área circular equivalente à área da fibra óptica. Este valor seria a referência para medição da perda da fibra óptica. (*) (**) www.fibraotica.com.br Lactec – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, sediado em Curitiba, estado do Paraná. 52 2. Inserir a fibra óptica entre a fonte de luz e o sensor do instrumento e obter a nova medição do iluminamento. A relação entre a diferença entre as duas medições e a medição inicial equivaleria a perda total da fibra óptica. Como fonte de luz foi utilizada uma lâmpada dicróica de 12 V – 50W modelo D0501 da marca Empalux. Foi necessário, inicialmente, se desenvolver um dispositivo que acomodasse as extremidades do cabo para uma boa medição. Foram então construídas duas peças, uma para acomodar uma lâmpada dicróica e a outra para o sensor do instrumento, ambas em forma de funil para receber a extremidade do cabo de fibra (Figura 37). No primeiro ensaio estas duas peças foram acopladas por um tubo de alumínio simulando as duas extremidades da fibra (Figura 35 - Montagem 1). Com este arranjo, mediu-se a intensidade luminosa para servir de referência em relação ao cabo de fibra. Na segunda medição (Figura 35 - Montagem 2), inseriu-se cada uma das extremidades da fibra nos respectivos dispositivos (retirando-se o tubo de alumínio) e repetiu-se a medição. A Figura 36 mostra o ensaio sendo realizado. Os resultados das medidas obtidas e a perda estão apresentados no Quadro 2. A perda foi calculada como um percentual, tendo-se como referência a Montagem 1. Como se pode constatar, a atenuação total resultante da fibra óptica foi de 70% para o comprimento de 4 m. Se houvesse disponibilidade de cabos com diferentes comprimentos, teria sido possível, ao menos, fazer a distinção estimativa(*) entre as perdas de transmissão das perdas de interface (entrada e saída). (*) Estimativa porque teria que se pressupor que as perdas de entrada e de saída dos diversos cabos em teste apresentassem os mesmos valores. 53 LÂMPADA LÂMPADA FIBRA ÓPTICA TUBO DE ALUMÍNIO SENSOR MONTAGEM 1 SENSOR MONTAGEM 2 FIGURA 39 – MONTAGENS DOS ENSAIOS DE PERDA DA FIBRA ÓPTICA FIGURA 40 – REALIZAÇÃO DO ENSAIO DAS PERDAS DA FIBRA PLÁSTICA 54 Montagem 1 Montagem 2 (cabo com 4 m) Perda 23.610 lx 7.020 lx 70% QUADRO 2 – RESULTADOS DAS MEDIÇÕES O fabricante do cabo informou os seguintes dados de referência: 5% de perdas na entrada, ou seja, na mudança de um meio para outro, 2 a 3% de atenuação por metro na transmissão e 5% perda na saída. Com estes valores, a perda em 4 m de cabo não poderia ultrapassar aos 22%. Estes valores, no entanto, referem-se ao filamento de PMMA isolado. Ao se verificar a extremidade da fibra percebe-se nitidamente áreas comparativamente grandes entre os filamentos, como mostra a Figura 37, razão desta perda maior. FIGURA 41 – DETALHE DA EXTREMIDADE DO CABO MOSTRANDO OS FILAMENTOS DE PMMA 5.2 SOLUÇÃO DO PROBLEMA DO AQUECIMENTO Outro problema enfrentado no experimento com o coletor solar foi a temperatura na extremidade da fibra onde o foco da lente concentra a luz. O fabricante da fibra não recomenda temperaturas acima de 75º C e a temperatura neste ponto passava facilmente dos 100º C. Pelo menos duas razões podem ser imputadas como responsáveis por este aquecimento: a) o foco da lente de Fresnel utilizada não conseguia efetivamente focar uma área pequena. O mínimo círculo obtido era de cerca de 15 mm de diâmetro, provocando assim o aquecimento de uma área maior do cabeçote em torno da extremidade da fibra, e b) o mesmo problema das áreas entre os filamentos, pois estas áreas apenas absorvem o calor. Foi então projetado um cabeçote de alumínio com várias aletas para melhorar a dissipação e uma espécie de reservatório com tampa de vidro onde foi colocada certa quantidade de água para refrieração. Este arranjo vidro-água certamente 55 aumenta as perdas na coleta da luz, mas permitiu a utilização da fibra plástica neste experimento. O projeto deste novo cabeçote levou em consideração os aspectos da estanqueidade para não haver riscos de vazamentos da água de refrigeração. A Figura 38 apresenta o desenho em corte do cabeçote montado e a Figura 39 o cabeçote já montado no coletor solar. Como se pode observar no Quadro 3, as temperaturas ficaram em níveis perfeitamente aceitáveis. A título de comparação, foi anotada a temperatura da estrutura metálica em local onde não incidia o foco da lente. FIGURA 42 - CABEÇOTE PARA FIBRA ÓPTICA COM DISSIPADOR 56 FIGURA 43 – CABEÇOTE COM DISSIPAÇÃO Local da medição Temperatura (ºC) Carcaça de Alumínio 46 Base da fibra 42 Estrutura metálica do coletor 34 QUADRO 3– MEDIÇÕES DAS TEMPERATURAS UTILIZANDO-SE O CABEÇOTE COM DISSIPAÇÃO Para se obter a perda inserida no coletor com este novo cabeçote, foi necessário um novo ensaio no Laboratório de Luminotécnica. O resultado está apresentado no Quadro 4. Saliente-se que foi utilizado um vidro comum de 4 mm de espessura. Em relação ao ensaio anterior, percebe-se um acréscimo de 15% na perda total considerando o cabo com 4 m. ARRANJO Medição (lx) Perda Dicróica (iluminação direta) 23.610 Referência Dicróica + vidro 20.400 14% Dicróica + fibra óptica 7.020 70% Dicróica + vidro + fibra óptica 5.950 75% Dicróica + vidro + fibra óptica + água 3.600 85% QUADRO 4 – MEDIÇÕES REALIZADAS COM A UTILIZAÇÃO DO CABEÇOTE COM DISSIPADOR 57 5.3 ENSAIOS PRÁTICOS DE RASTREAMENTO DO SOL Logo nos primeiros ensaios foi constatada a necessidade de um novo rearranjo dos pares de sensores de luminosidade internos e externos. Pela Figura 40 é possível esclarecer melhor o problema. Nesta figura estão apresentados apenas os pares de sensores do movimento leste-oeste. Do grupo de sensores externos, o sensor da direita é o detector da luz vinda do leste e o da esquerda, o da luz vinda do oeste. Acontece que no grupo de sensores internos, o da esquerda fica recebendo mais luz vinda do leste do que do oeste Isto é devido ao afunilamento do cabeçote e devido ao efeito da lente que projeta um halo de luz mais para o sensor da esquerda quando o sol vem pela direita e vice-versa. FIGURA 44 – DISPOSIÇÃO DOS PARES DE SENSORES INTERNOS E EXTERNOS APÓS OS TESTES INICIAIS 5.3.1 Medição da tensão de offset dos motores Sabe-se que para vencer o atrito estático de um corpo parado exige-se mais energia do que para mantê-lo em movimento. Visando um movimento mais suave possível, o software fica permanentemente fornecendo ao motor uma tensão mantendo-o no limiar da rotação e que foi denominada tensão de offset. Como a tensão fornecida é pulsada foi necessário se fazer uma medição do percentual em relação ao ciclo de PWM para então programar esta constante no software. Nas 58 medições foi constatado um valor de 700 pulsos, dos 4.096 do ciclo de PWM, como valor do PWM de offset para ambos os motores, o que dá um percentual de 17%. 5.3.2 Formas de onda do sinal PWM sobre os motores Foram registradas as formas de onda de tensão e corrente para diferentes percentuais de PWM tanto no motor longitude quanto no motor latitude. FIGURA 45 – FORMA DE ONDA DE TENSÃO SOBRE O MOTOR 2 COM MOVIMENTO SENTIDO LESTE (PWM = 17%) FIGURA 46 – FORMA DE ONDA DE TENSÃO NO MOTOR 1 COM MOVIMENTO PARA O NORTE (PWM = 13%) 59 FIGURA 47 – FORMA DE ONDA DE TENSÃO NO MOTOR 1 NO SENTIDO SUL (PWM = 57%) FIGURA 48 - FORMA DE ONDA DE CORRENTE NO MOTOR1 COM MOVIMENTO NO SENTIDO SUL (PWM = 57%) 5.4 ENSAIOS LUMINOTÉCNICOS Estes ensaios foram realizados no Laboratório de Luminotécnica para se medir intensidade luminosa na extremidade da fibra e fluxo luminosos quando o coletor estivesse simulando uma operação em um dia ensolarado. 60 5.4.1 Medição da Intensidade Luminosa (cd) A Figura 45 mostra o esquema da montagem do teste. O coletor solar foi posicionado na parte externa do laboratório e o cabo de fibra foi passado por uma janela até uma câmara escura apropriada para este tipo de teste. Na entrada da câmara escura foi feito um orifício onde foi posicionada a extremidade da fibra óptica. Do outro lado da câmara existe outro orifício apropriado para o sensor do luxímetro. FIGURA 49 - MONTAGEM PARA A MEDIÇÃO DA INTENSIDADE LUMINOSA NA EXTREMIDADE DA FIBRA ÓPTICA Foram obtidas as seguintes medições: Iluminamento na superfície da lente de Fresnel: 105.400 lx Iluminamento no sensor posicionado na extremidade da câmera: 62 lx Com estes valores foi possível deduzir que a intensidade luminosa na extremidade da fibra óptica através da seguinte equação, baseada na lei do inverso dos quadrados das distâncias: I E.d 2 62.1,552 149cd [16] A Figura 46 mostra o ensaio sendo realizado. 61 (A) (B) (C) (D) FIGURA 50 – MEDIÇÃO DA INTENSIDADE LUMINOSA: (A) MEDIÇÃO NA SUPERFÍCIE DA LENTE, (B) MEDIÇÃO NA SAÍDA DA CÂMARA ESCURA, (C) E (D) DETALHE DA EXTREMIDADE DA FIBRA ÓPTICA ILUMINADA 5.4.2 Medição do fluxo luminoso (lm) Este ensaio foi realizado na esfera integradora e para a medição foi necessário abrir os filamentos do cabo de fibra óptica para distribuir a iluminação simulando o mais próximo de uma fonte que emite fluxo em todas as direções. A Figura 47 mostra câmara integradora e detalhe dos filamentos iluminados. Foram realizados dois ensaios em dias diferentes, uma vez que na primeira tentativa o céu estava com relativa névoa fazendo com que o iluminamento medido na superfície da lente não chegou a ultrapassar o valor de 27000 lx. Neste primeiro teste foi obtido o valor de 60 lm dentro da esfera integradora. Convém ainda salientar que, no período do ano que foi realizado este ensaio (junho/julho), o sol só estava disponível no local dos testes entre as 7:30h às 9:00h quando o sol não apresenta sua luminosidade máxima(*). (*) Devido a outros edifícios próximos ao Laboratório de Luminotécnica. 62 O segundo ensaio foi realizado em melhores condições obtendo-se um iluminamento na superfície da lente de 66.000 lx. O resultado na esfera integradora foi de 160 lm. FIGURA 51 – MEDIÇÃO DO FLUXO LUMINOSO COM A UTILIZAÇÃO DA ESFERA INTEGRADORA 5.4.3 Análise dos resultados Como a exitância de uma superfície é função da sua área, e no caso da lente de Fresnel utilizada é de 0,0728 m2 (0,28 x 0,28 m), temos que a exitância da superfície da lente, quando o iluminamento é de 27.000 lx, é de 2.116,8 lm, pois: M 27000.0,0728 2116,8 (17) Considerando que a medição do fluxo luminoso na esfera foi de 62 lm, o sistema de captação (lente + cabeçote) e o sistema de transporte (cabo de fibra de 4 m) apresentou uma eficácia de 2,9%. Eficácia 62 .100 2,9 2116,8 (18) Na segunda medição, quando o valor do iluminamento do sol era de 66.000 lx, o valor do fluxo luminoso medido na esfera foi de 160 lm. Neste caso, M 66000.0,0728 5174,4lm (19) 160 .100 3,1% 5174,4 (20) A eficácia fica sendo: Eficácia Se for considerado um iluminamento do sol na faixa dos 100.000 lx (dia ensolarado), pode-se inferir que pode se obter uma emitância luminosa de 7.840 lm, pois: 63 M 10000.0,0728 7840lm (21) Considerando-se a eficácia de 3%, poderia se obter 235 lm. 7840.0,03 235 (22) A Figura 48 apresenta um gráfico do fluxo luminoso em função do iluminamento da superfície da lente pelo sol, onde estão plotados os dois pontos do ensaio. Lúmens FLUXO LUMINOSO 250 200 150 100 50 20k 100k 60k 40k 80k ILUMINAMENTO DO SOL 120k Lux FIGURA 52 – FLUXO LUMINOSO RESULTANTE EM FUNÇÃO DO ILUMINAMENTO DA LUZ SOLAR PARA O PROTÓTIPO DESENVOLVIDO O fluxo luminoso resultante quando o sol produz um iluminamento de 100.000 lx fica muito próximo de uma lâmpada incandescente de 25 W, pois esta fornece um fluxo luminoso de 230 lm, segundo dados do fabricante [46]. Um dos objetivos, se não o principal, da utilização de um sistema de iluminação natural é proporcionar redução do consumo de energia elétrica em iluminação. Portanto, é importante conhecer o consumo de energia do circuito eletrônico para uma comparação da sua eficiência energética. Nos testes, com o movimento de rastreamento do sol, a corrente consumida da fonte de 9 V foi de cerca de 90 mA, o que corresponde a uma potência de 0,8 W. Quando há uma solicitação de movimento rápido dos motores a corrente sobe para 290 mA, mas por curtos períodos, quando alguma nuvem encobre o sol temporariamente. Considerando-se um rendimento da conversão AC-DC de 70% e um consumo de 1 W como média estimada, pode-se calcular a eficiência luminosa do sistema como sendo: 64 235.(1/ 0,7) 164lm / W (23) Pode-se comparar com a mesma lâmpada incandescente de 25 W, cuja eficiência luminosa é calculada como: 230 / 25 9,2lm / W (24) Fica bastante evidente, por estes valores, o ganho de eficiência luminosa em função do consumo de energia elétrica. 65 6 CONCLUSÕES 6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente trabalho apresentou um projeto tecnicamente viável de aproveitamento da luz solar durante o dia para iluminação tanto para ambientes residenciais quanto para ambientes profissionais, especialmente onde não existem janelas ou elas são insuficientes para uma iluminação adequada. Aplica-se também em ambientes onde as janelas, mesmo adequadas em tamanho, não proporcionam o conforto desejado para a uma boa iluminação. Como um dos objetivos do trabalho era de desenvolver um equipamento de baixo custo, é importante que se apresente um levantamento dos custos para o desenvolvimento do protótipo. Obviamente, numa produção industrial estes valores podem mudar drasticamente, em função não só da escala, mas de aquisição dos componentes diretamente na fonte, bem como, de outras negociações. Outra consideração a ser feita é que as peças mecânicas foram confeccionadas de forma artesanal, havendo necessidade de vários protótipos até chegar a versão final. Um exemplo é o cabeçote de fixação da fibra, como exposto anteriormente, onde foi necessário um novo projeto para adequar aos níveis de temperatura. No caso da mecânica, o valor se refere a uma estimativa se as peças fossem confeccionadas sem a necessidade de retrabalho. Desta forma os custos se resumem aos seguintes itens: Componente Quantidade Preço Unit. Totais Cabo de fibra óptica plástica com 75 filamentos e comprimento de 4 m 1 R$ 400,00 R$ 400,00 Lente de Fresnel adquirida em oficina de conserto de retroprojetores 1 R$ 90,00 R$ 90,00 Motores de corrente contínua 2 R$ 120,00 R$ 240,00 Peças mecânicas 1 R$ 380,00 R$ 380,00 Conjunto de componentes eletrônicos 1 R$ 150,00 R$ 150,00 TOTAL GERAL R$#1260,00 Foram solicitados dois pedidos de patentes das inovações deste projeto, um deles, registrado sob o n° PI 0701047-8 refere-se à solução do mecanismo como um 66 todo. O outro pedido, sob o protocolo n° 0150800020-87 refere-se ao cabeçote com dissipador. Um trabalho foi enviado para o II Congresso Brasileiro de Energia Solar e III Conferência Latino Americana de Energia Solar a ser realizado em Florianópolis no mês de novembro, aguardando análise da comissão. 6.2 DESENVOLVIMENTOS FUTUROS Por se tratar de um trabalho acadêmico, com escassos recursos, não houve possibilidade de se fazer experimentos com outros materiais, diferentes soluções de controle e outras soluções de mecanismo e nem mesmo aprofundar as questões econômicas. Em termos práticos, as seguintes questões precisam ser melhor estudadas: Definir, técnica e economicamente, a viabilidade de fabricação de lentes de Fresnel no Brasil, e em quais dimensões seria mais adequada a fabricação (painéis de grande porte versus painéis modulares); Pesquisar a possibilidade de diminuir as perdas no cabo de fibra plástica utilizada neste protótipo ou pesquisar outras; Dotar o circuito de um relógio interno (Real Time Clock) para, , posicionar o mecanismo mais próximo possível da posição real quando o sol estiver encoberto. Aperfeiçoar o cabeçote de fixação da fibra óptica também visando reduzir as perdas neste componente do sistema; Desenvolver uma luminária apropriada para receber a terminação da fibra óptica, em conjunto com lâmpadas elétricas e que faça a compensação automática mantendo o nível de iluminação constante no ambiente; Desenvolver uma fonte com pequeno painel solar para alimentar o circuito eletrônico tornando o coletor autônomo. Aperfeiçoar o mecanismo e a eletrônica para tornar um equipamento mais robusto e confiável. 67 REFERÊNCIAS 1. AMBIENTE BRASIL. Energia Solar e o Meio Ambiente. Disponível em: http://www.ambientebrasil.com.br/composer.php3?base=./energia/index.html& conteudo=./energia/solar.html#ambiente. Acesso em: 10/06/2007. 2. COLLE, S.; PEREIRA, E. B. Atlas de irradiação solar do Brasil, Brasília; Inmet/Labsolar, 1998 3. BENYA, J.; HESCHONG, L.; MCGOWAN, T.; MILLER, N.; RUBINSTEIN, F. Advanced Lighting Guidelines – ed 2003. Disponível em arquivo pdf em http://www.newbuildings.org. Acesso em 05/05/200832 4. U. S. DEPARTAMENT OF DEFENSE. Unified Facilities Criteria – UFC 3-53001, Design: Interior and Exterior Lighting and Exterior Lightin and Controls, 2006. Disponível em http://www.wbdg.org/ccb/DOD/UFC/ufc_3_530_01.pdf. Acesso em 05/05/2008. 5. GHISI E.; TINKER J. 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